Conceptos Básicos de Química y Física: Materia, Propiedades y Estados

Definición de Química

Es la ciencia que estudia los fenómenos químicos y la estructura interna de la materia.

Definición de Física

Es la ciencia que estudia los fenómenos físicos.

Los fenómenos físicos y químicos

Los fenómenos físicos afectan a algunas propiedades de las sustancias, pero sin transformarlas en otras nuevas. Los fenómenos químicos producen nuevas sustancias y la desaparición de otras.

Definición de materia

Podemos decir que materia es todo lo que tiene masa y ocupa un volumen.

Definiciones de masa y volumen. Sus unidades de medida en el S.I.

Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Su unidad de medida en el S.I. es el kg.

Volumen es la porción de espacio que ocupa un cuerpo. Su unidad de medida es el m³.

Propiedades específicas y generales de un sistema material

Propiedades generales son aquellas que son comunes a todos los cuerpos y, por tanto, no sirven para caracterizarlos. Ejemplos: masa, volumen,...

Propiedades específicas son aquellas características propias que sirven para determinar o identificar una sustancia. Ejemplos: densidad, punto de fusión,...

Ejemplos de propiedades generales

• Masa
• Volumen

Ejemplos de propiedades específicas

• Densidad
• Punto de fusión

Definición de densidad. Unidad de medida en el S.I. y otras unidades

La densidad la definimos como la cantidad de masa que corresponde a la unidad de volumen:

d =

La unidad de medida en el S.I. es el kg/m³; otras unidades de medida son g/cm³, kg/l, etc.

Es una propiedad específica de cada sustancia. Hay tablas para consultar densidades de diferentes sustancias.

Propiedades de sustancias según su estado físico

Basta echar un vistazo a nuestro alrededor para darnos cuenta que la materia se presenta en tres estados de agregación distintos:

Cambios de estado progresivos

• Fusión. Paso de sólido a líquido. El punto de fusión es una propiedad característica de las sustancias. Por tanto, puede servirnos para identificar a las sustancias. La temperatura de fusión varía con la presión. A medida que ésta disminuye, la temperatura de fusión desciende.
• Vaporización. Paso de líquido a gas. Tiene lugar a cualquier temperatura y en la superficie libre del líquido (los líquidos se evaporan a cualquier temperatura). Sin embargo, si aumentamos la temperatura, llega un momento que la evaporación se produce en todo el líquido, formándose grandes burbujas (llenas de vapor del líquido) que ascienden hasta la superficie. Decimos que el líquido comienza a hervir o que entra en ebullición. La temperatura a la que un líquido hierve se llama temperatura de ebullición. Varía con la presión. A medida que ésta disminuye, la temperatura de ebullición desciende.
• Sublimación. Paso directo de sólido a gas sin pasar por el estado líquido. Como la vaporización, ocurre a cualquier temperatura (de ahí que podamos oler sustancias sólidas. Pequeñas porciones del sólido subliman y llegan en forma de vapor a nuestra nariz). La mayor parte de las sustancias necesitan encontrarse a presiones muy bajas para que la sublimación sea apreciable.

Cambios de estado regresivos

• Solidificación. Paso de líquido a sólido. Ocurre a la misma temperatura que la fusión. Varía con la presión.
• Condensación. Paso de gas a líquido.
• Sublimación regresiva. También llamada sublimación inversa o deposición. Paso directo de gas a sólido sin pasar por el estado líquido.

Formas de vaporización

• Evaporación: Es el paso de una porción superficial de un líquido a vapor a cualquier temperatura. La evaporación será mayor cuanto mayor sea la superficie de contacto con el aire y la temperatura del medio.
• Ebullición: Es cuando a un líquido se le aplica suficiente calor para que hierva. En este caso, el paso a vapor ocurre en toda la masa del líquido y no solo en su superficie.

Diferencia entre punto de cambio de estado y temperatura de cambio de estado

El punto de cambio de estado de una sustancia es la temperatura a la que una sustancia cambia de estado a 1 atmósfera de presión y es una propiedad característica.

La temperatura de cambio de estado es la temperatura a la que una sustancia cambia de estado, y ésta puede variar con la presión, por lo que no es una propiedad característica de esa sustancia.

Por ejemplo, el agua tiene un punto de ebullición de 100 ºC; sin embargo, su temperatura de ebullición puede variar con la presión, pudiendo hervir, por ejemplo, a menos temperatura si nos subimos a una montaña donde la presión es menor.

Teoría cinético-molecular de los gases, líquidos y sólidos

¿Por qué a temperatura ambiente y 1 atm de presión el agua es líquida, el hierro sólido y el oxígeno gaseoso?

La respuesta está en la propia estructura interna de la materia.

Sabemos que toda la materia está constituida por diminutas partículas denominadas átomos, y que estos se enlazan entre sí para formar moléculas o iones. Hay sustancias constituidas por átomos, como los metales; otras por moléculas, como el agua o el oxígeno; y otras por iones, como la sal común.

En cualquier caso, las fuerzas atractivas, denominadas fuerzas de cohesión, que mantienen unidas a las partículas que constituyen una sustancia, son las que determinan su estado de agregación, y las que confieren a la sustancias, las características propias de cada uno de ellos.

La teoría cinético-molecular se creó para poder explicar el comportamiento de los gases y más tarde se extendió también a líquidos y sólidos.

Fue desarrollada por Clausius en 1857 y se basa en los siguientes puntos:

Gases

• Todos los gases están formados por partículas muy pequeñas y muy separadas entre sí. El volumen de estas partículas es insignificante en comparación con el volumen ocupado por el propio gas.
• Las partículas se mueven en línea recta y al azar, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene. La rapidez del movimiento depende de la temperatura del gas.
• Las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre las partículas son despreciables, permitiendo la libertad de movimiento de las mismas.

Sólidos

• Los sólidos están formados por partículas. Entre dichas partículas existen unas fuerzas de atracción muy intensas. Por este motivo no se pueden desplazar, solo pueden vibrar alrededor de las posiciones que ocupan. Si le proporcionamos energía al sólido, este vibrará cada vez con mayor velocidad.

Líquidos

• En las partículas de los líquidos existen fuerzas atractivas menos intensas que en los sólidos. Las partículas se pueden desplazar, pero no se pueden acercar ni separar más de lo que están, manteniéndose una distancia relativa fija.

Diferencias entre sustancias puras y mezclas

• Las sustancias puras tienen propiedades características fijas y las mezclas no.
• En las sustancias puras, mientras dura la fusión o la ebullición, la temperatura permanece constante. En las mezclas no.
• Los componentes de una sustancia pura se separan por procedimientos químicos. Los componentes de una mezcla se separan por procedimientos mecánicos o físicos.
• Las proporciones en que se pueden mezclar las sustancias en las mezclas no es fija. Las sustancias puras compuestas están formadas por sustancias simples en proporciones fijas.
• Las sustancias mezcladas conservan sus propiedades. Las sustancias que componen un compuesto no conservan sus propiedades.

Separación de mezclas homogéneas y heterogéneas

Los procedimientos más habituales son:

• Centrifugación: Separa sólidos de líquidos en base a la diferencia de densidad entre ellos.
• Filtración: Separa sólidos de líquidos, aprovechando el diferente tamaño de las partículas.
• Decantación: Sirve para separar un sólido de un líquido después de haberlos centrifugado. También es la separación de dos líquidos inmiscibles mediante un embudo de decantación.
• Cromatografía: Sirve para separar los componentes de una mezcla basándose en las distintas capacidad que tienen las partículas que forman la mezcla para adherirse a la superficie de un determinado material, ante la acción de un agente arrastrante.
• Cristalización: Se utiliza para separar un sólido disuelto en un líquido, basándose en la distinta volatilidad de las sustancias mezcladas. Además, conseguimos separar las impurezas presentes en el sólido.
• Destilación: Separa líquidos miscibles o bien un líquido de un sólido miscible en él, basándose en la diferencia entre sus temperaturas de ebullición.

Clasificación de las disoluciones según su concentración

Pueden ser:

• Diluidas: Si hay poco soluto disuelto en comparación con todo lo que se puede disolver.
• Concentradas: Si hay bastante soluto disuelto en comparación con todo lo que se puede disolver.
• Saturadas: Si hay el máximo soluto posible disuelto.

Cálculo de la concentración de una disolución

Algunas de las formas de expresar la concentración de una disolución son:

Concentración centesimal =

Molaridad, molalidad, normalidad, etc.