La materia y sus propiedades

La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio (volumen). Desde las estrellas hasta el aire que respiramos, todo lo que nos rodea está compuesto de materia. Para estudiar la materia, distinguimos dos tipos de propiedades:

1. Propiedades generales o extensivas: Son aquellas que dependen de la cantidad de materia que tiene el cuerpo. No permiten identificar la sustancia.
   • Masa ($m$): Cantidad de materia de un cuerpo. Se mide en kilogramos (kg).
   • Volumen ($V$): Espacio que ocupa un cuerpo. Se mide en metros cúbicos ($m^3$) o litros ($L$).
2. Propiedades específicas o intensivas: Son aquellas que no dependen de la cantidad de materia. Son propias de cada tipo de sustancia y permiten diferenciar una de otra (como el color, el sabor o la densidad).

La materia es todo lo que posee masa y volumen, y su estudio comienza por entender cómo medir estas magnitudes de forma precisa.

Para que los científicos de todo el mundo puedan compartir sus resultados, se utiliza el Sistema Internacional de Unidades (SI).

• Magnitudes fundamentales: Son las que se definen por sí solas. En este nivel, las más comunes son la longitud (metro, m), la masa (kilogramo, kg) y el tiempo (segundo, s).
• Magnitudes derivadas: Se obtienen combinando las fundamentales. Por ejemplo, la superficie ($m^2$), el volumen ($m^3$) o la densidad ($kg/m^3$).

Para cambiar de una unidad a otra, utilizamos los factores de conversión. Son fracciones donde el numerador y el denominador representan la misma cantidad pero en unidades distintas.

• Ejemplo: Para pasar 500 g a kg: $500 \, \text{g} \cdot \frac{1 \, \text{kg}}{1000 \, \text{g}} = 0,5 \, \text{kg}$

En el laboratorio, utilizamos herramientas específicas para medir magnitudes físicas:

• Balanza: Sirve para medir la masa. Puede ser granataria o electrónica.
• Probeta: Recipiente cilíndrico graduado que sirve para medir volúmenes de líquidos.

Al medir, debemos considerar la precisión (la variación más pequeña que puede detectar el aparato) y la sensibilidad. Siempre existe un error experimental, que puede ser sistemático (fallo del aparato) o accidental (fallo del observador). Es fundamental realizar varias medidas y calcular la media aritmética para minimizar estos errores.

Las propiedades específicas nos ayudan a saber ante qué sustancia estamos. Algunas de las más importantes son:

• Punto de fusión: Temperatura a la que una sustancia pasa de sólido a líquido.
• Punto de ebullición: Temperatura a la que pasa de líquido a gas.
• Dureza: Resistencia de un sólido a ser rayado (se mide con la escala de Mohs).
• Conductividad: Capacidad de una sustancia para transmitir calor o electricidad.
• Solubilidad: Capacidad de una sustancia para disolverse en un líquido a una temperatura dada.

La densidad ($\rho$) es la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Es una propiedad intensiva; es decir, un gramo de hierro tiene la misma densidad que una tonelada de hierro.

La fórmula matemática es: $\rho = \frac{m}{V}$

• Unidades en el SI: $kg/m^3$ (aunque en el laboratorio es muy común usar $g/cm^3$ o $g/mL$).
• Flotabilidad: Un objeto flota en un fluido si su densidad es menor que la del fluido. Por eso el hielo flota en el agua (el hielo es menos denso).

Para medir la densidad en el laboratorio seguimos estos pasos:

1. Líquidos: Se mide su masa con una balanza (restando la masa del recipiente vacío) y su volumen con una probeta.
2. Sólidos irregulares (Método de inmersión): Si el sólido no tiene una forma geométrica clara (como una piedra), usamos una probeta con agua. Anotamos el volumen inicial ($V_1$), introducimos el sólido y anotamos el volumen final ($V_2$). El volumen del sólido será $V = V_2 - V_1$.
3. Picnometría: Uso de un frasco de volumen exacto (picnómetro) para determinar densidades de líquidos con gran precisión.

La materia se presenta en la naturaleza en tres estados principales:

• Sólidos: Tienen forma y volumen definidos. Sus partículas están muy juntas y solo vibran. Son incompresibles.
• Líquidos: Tienen volumen definido pero forma variable (se adaptan al recipiente). Tienen fluidez y una viscosidad (resistencia a fluir) determinada.
• Gases: No tienen forma ni volumen definidos. Se expanden hasta ocupar todo el espacio disponible y son muy compresibles.

Esta teoría explica cómo se comporta la materia por dentro:

1. La materia está formada por partículas diminutas.
2. Las partículas están en continuo movimiento.
3. Entre las partículas hay vacío.
4. Existen fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las partículas.

En los sólidos las fuerzas de cohesión son muy fuertes, en los líquidos son moderadas y en los gases son casi inexistentes.

Cuando la temperatura cambia, la energía de las partículas varía y se producen cambios de estado:

• Procesos endotérmicos (absorben calor): Fusión (sólido a líquido), vaporización (líquido a gas) y sublimación (sólido a gas).
• Procesos exotérmicos (desprenden calor): Solidificación (líquido a sólido), condensación (gas a líquido) y sublimación inversa (gas a sólido).

Durante un cambio de estado de una sustancia pura, la temperatura permanece constante aunque sigamos aplicando calor. Esto se observa en las gráficas de calentamiento, donde aparecen tramos horizontales (mesetas).

Para definir el estado de un gas necesitamos tres variables:

• Presión ($P$): Fuerza que ejercen las partículas al chocar contra las paredes del recipiente. Se mide en Pascales (Pa) o atmósferas (atm). ($1 \, \text{atm} = 101325 \, \text{Pa}$).
• Volumen ($V$): Espacio que ocupa el gas.
• Temperatura ($T$): Indica la energía cinética de las partículas. En ciencia usamos la escala Kelvin ($K$).
  • Fórmula: $T(K) = t(^\circ C) + 273$

1. Ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constante, el volumen y la presión son inversamente proporcionales ($P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2$).
2. Ley de Charles: A presión constante, el volumen y la temperatura son directamente proporcionales ($\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$).
3. Ley de Gay-Lussac: A volumen constante, la presión y la temperatura son directamente proporcionales ($\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$).

El comportamiento de los gases explica fenómenos cotidianos:

• Jeringas: Al empujar el émbolo disminuimos el volumen, lo que aumenta la presión y expulsa el líquido.
• Neumáticos: En verano, el calor aumenta la presión del aire interior (Ley de Gay-Lussac), por lo que conviene no inflarlos al máximo.
• Globos aerostáticos: Al calentar el aire, este se expande (aumenta volumen), se vuelve menos denso que el aire exterior y el globo asciende.

La materia se clasifica según su composición:

• Sustancias puras: Tienen una composición fija y propiedades constantes.
  • Elementos: Formados por un solo tipo de átomo (ej. Oxígeno, Oro).
  • Compuestos: Formados por dos o más elementos combinados en proporciones fijas (ej. Agua, $H_2O$).
• Mezclas: Unión de dos o más sustancias puras.
  • Heterogéneas: Se pueden distinguir sus componentes a simple vista (ej. ensalada, granito).
  • Homogéneas (Disoluciones): No se distinguen sus componentes (ej. aire, agua con sal).
  • Coloides: Mezclas que parecen homogéneas pero dispersan la luz (ej. leche, niebla).

Para separar los componentes de una mezcla sin alterar su naturaleza química usamos métodos físicos:

• Filtración: Separa sólidos de líquidos mediante un filtro.
• Decantación: Separa líquidos de distinta densidad (agua y aceite).
• Destilación: Separa líquidos con diferentes puntos de ebullición.
• Evaporación: Para recuperar un sólido disuelto en un líquido.
• Cromatografía: Separa componentes basándose en su diferente velocidad de desplazamiento por un soporte.

En una disolución, el soluto es la sustancia que se disuelve (menor cantidad) y el disolvente es la que disuelve (mayor cantidad). La concentración indica cuánto soluto hay en la mezcla.

Formas comunes de expresar la concentración:

1. Porcentaje en masa: $\frac{\text{masa soluto}}{\text{masa disolución}} \cdot 100$
2. Porcentaje en volumen: $\frac{\text{volumen soluto}}{\text{volumen disolución}} \cdot 100$
3. Concentración en masa ($g/L$): $C = \frac{\text{masa soluto (g)}}{\text{volumen disolución (L)}}$

Una disolución está saturada cuando no admite más soluto a una temperatura determinada.