La materia: mezclas y cambios de estado

Todo lo que nos rodea, desde el aire que respiramos hasta las rocas del suelo, está hecho de materia. Para entenderla, debemos distinguir entre dos tipos de propiedades:

1. Propiedades generales: Son comunes a toda la materia y no permiten identificar de qué sustancia se trata.

   • Masa: Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Se mide en kilogramos ($kg$) o gramos ($g$) usando una balanza.
   • Volumen: Es el espacio que ocupa un cuerpo. Se mide en litros ($L$) o mililitros ($ml$). En el laboratorio, usamos la probeta para medir el volumen de los líquidos.

2. Propiedades específicas: Son las que varían de una sustancia a otra y nos permiten diferenciarlas. La más importante es la densidad.

   • La densidad relaciona la masa con el volumen mediante la fórmula: $Densidad = \frac{Masa}{Volumen}$

La densidad es una propiedad característica, lo que significa que cada sustancia pura (como el hierro o el aceite) tiene una densidad única que no cambia aunque cambie la cantidad de materia.

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

• Sólido: Tienen una forma y un volumen constantes. No se pueden comprimir (no cambian de tamaño al apretarlos).
• Líquido: Tienen un volumen fijo, pero su forma es variable, ya que se adaptan al recipiente que los contiene.
• Gaseoso: No tienen forma ni volumen propios. Se caracterizan por la expansión (ocupan todo el espacio disponible) y la compresibilidad (podemos reducir su volumen si los presionamos).

Para explicar por qué existen estos estados, los científicos usan la teoría cinética, que nos dice que la materia está formada por pequeñas partículas invisibles:

• Estas partículas están en constante movimiento.
• Entre las partículas hay espacio vacío.
• La temperatura influye directamente: a mayor temperatura, las partículas se mueven más rápido y se separan más. En un sólido, las partículas están muy juntas y solo vibran; en un gas, se mueven a gran velocidad y están muy alejadas.

Una sustancia pura es aquella que está formada por un solo tipo de materia y tiene una composición uniforme. Sus propiedades (como el punto de ebullición o la densidad) son siempre las mismas.

• Ejemplos: El oro de un anillo, el agua destilada (solo moléculas de agua) o la sal común.

Son mezclas en las que los componentes se pueden distinguir a simple vista o con una lupa. La distribución de sus componentes no es uniforme.

• Ejemplos: Una ensalada, el granito (donde vemos el cuarzo, el feldespato y la mica) o un vaso de agua con arena.

En estas mezclas, los componentes están tan bien mezclados que no se pueden distinguir, ni siquiera con un microscopio potente.

• Componentes: El solvente (o disolvente) es la sustancia que está en mayor cantidad (normalmente líquido), y el soluto es la sustancia que se disuelve.
• Ejemplos: El aire (mezcla de gases), el agua de mar (agua y sales) o las aleaciones como el bronce.

1. Filtración: Se usa para separar un sólido de un líquido (ej. arena y agua) usando un filtro que deja pasar el líquido pero retiene el sólido.
2. Decantación: Se emplea para separar sustancias con distinta densidad, como el agua y el aceite. Se deja reposar la mezcla hasta que el más denso se deposita en el fondo.
3. Separación magnética: Útil cuando uno de los componentes es un metal ferromagnético (como el hierro) y el otro no. Se utiliza un imán.

1. Evaporación y cristalización: Se calienta la mezcla para que el disolvente líquido se evapore, quedando el soluto sólido en el fondo (ej. obtener sal del agua de mar).
2. Destilación: Se usa para separar dos líquidos con distinto punto de ebullición. Se calienta la mezcla, el líquido que hierve antes se convierte en vapor y luego se enfría en un condensador para volver a ser líquido.

Las técnicas de separación son esenciales para nuestra supervivencia. Algunos ejemplos reales son:

• Depuración de aguas: Las plantas de tratamiento usan filtración y decantación para limpiar el agua que llega a nuestras casas.
• Salinas: Se usa la evaporación solar para obtener sal común.
• Reciclaje: En las plantas de tratamiento de residuos, se usan imanes gigantes para separar latas de acero del resto de la basura.

• Fusión: El paso de sólido a líquido (ej. un hielo derritiéndose).
• Vaporización: El paso de líquido a gas. Puede ser evaporación (lenta, en la superficie) o ebullición (rápida, en toda la masa del líquido).
• Sublimación directa: El paso directo de sólido a gas, sin pasar por líquido (ej. el hielo seco).

• Solidificación: El paso de líquido a sólido (ej. hacer cubitos de hielo).
• Condensación: El paso de gas a líquido (ej. las gotas de rocío o el vaho en un cristal).
• Sublimación inversa: El paso directo de gas a sólido.

Cada sustancia cambia de estado a una temperatura específica llamada "punto". Para el agua pura a nivel del mar:

• Punto de fusión: $0^\circ C$.
• Punto de ebullición: $100^\circ C$.

Los cambios de estado son cambios físicos, lo que significa que son reversibles (podemos volver al estado original) y la masa de la sustancia no varía durante el proceso.

• Cambio Físico: La sustancia sigue siendo la misma (romper un papel, congelar agua).
• Cambio Químico: La naturaleza de la sustancia cambia y se forman sustancias nuevas con propiedades diferentes. Suelen ser irreversibles.

Es una reacción química rápida entre un combustible (madera, gasolina) y el comburente (oxígeno).

• Se produce energía en forma de luz y calor.
• Como resultado, aparecen nuevas sustancias como cenizas y dióxido de carbono ($CO_2$).

1. Oxidación: Ocurre cuando una sustancia (como el hierro de una bicicleta o una manzana cortada) reacciona con el oxígeno del aire o del agua. Aparece una capa de color rojizo o marrón llamada óxido.
2. Fermentación: Es un proceso realizado por microorganismos (como levaduras o bacterias) en ausencia de oxígeno.
   • La fermentación es clave en la industria alimentaria para fabricar pan, yogur, queso o vinagre.