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LA MATERIA Y SUS CAMBIOS

INTRODUCCIÓN: Todos los cuerpos materiales tangibles o intangibles que nos rodean: aire, agua, vestimenta, los alimentos, las pinturas, el papel, los plásticos, los medicamentos, las bebidas gasificadas, la generación de energía (eléctrica, luminosa, calorífica; etc.), están relacionadas directamente con la ciencia química. Es más si queremos ahondar en los misterios de la tierra y del aire, que son esenciales para la vida debemos recurrir al estudio de la química, ya que esta sirve de base o fundamento a las ciencias de la vida; la biología y la física.

La química interviene casi en todos los aspectos de nuestra vida: cultura y entorno (social y ambiental); por lo tanto es erróneo pensar que la química es meramente teórica y solo tiene que ver con fórmulas y nombres complicados de compuestos; cuando respiramos, digerimos los alimentos, nos lavamos con jabón, nos limpiamos los dientes con cierta pasta dental, cocemos los alimentos; etc., estamos practicando química. La química, es una ciencia experimental que estudia la materia, sus propiedades, sus cambios internos o reacciones, la energía en estos cambios y las leyes que lo rigen.

RAMAS DE LA QUÍMICA.- Siendo la química muy extensa se divide en:

Química General.- Estudia los fundamentos o principios básicos comunes a todas las ramas de la ciencia química.

Química Descriptiva.- Estudia las propiedades y la obtención de cada sustancia químicamente pura en forma particular. Podemos subdividirla en:

- Química Inorgánica: Estudia todas las sustancias inanimadas o del reino mineral.

- Química Orgánica: Estudia todas las sustancias que contiene carbono (con excepción del Co, CO2, carbonatos; etc.) ya sean estos naturales (provenientes del reino animal y vegetal) o artificiales (plásticas, fibras textiles; etc.)

Química Analítica.- Estudia las técnicas para identificar, separar y cuantificar las sustancias orgánicas e inorgánicas presentes en una muestra material, o los elementos presentes en un compuesto químico.; se dividen en:

- Cualitativa: Estudia las técnicas para identificar las sustancias químicas (simples y compuestas) en una muestra material o los elementos químicos presentes en un compuesto. Así por ejemplo se ha determinado que en el agua pura solo hay dos elementos: hidrógeno y oxígeno; en la sal común, cloro y sodio; en el azúcar de mesa, carbono hidrógeno y oxígeno.

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- Cuantitativa: Estudia las técnicas para cuantificar las sustancias químicas puras en una muestra material o el porcentaje en peso que representa cada elemento en un compuesto para luego establecer su formula química.

Química Aplicada: Por su relación con otras ciencias y su aplicación práctica, podemos subdividirla en:

Bioquímica: Estudia la composición, estructura y funciones de las moléculas complejas que forman sistemas biológicos e intervienen en procesos químicos vitales, como la fotosíntesis, digestión, reproducción, circulación, etc.

Fisicoquímica: Estudia todos los procesos en los que se relacionan los principios y las leyes físicas y químicas como por ejemplo en la estructura atómica y molecular, termodinámica, propiedades de los gases, líquidos y sólidos; etc.

Química industrial: Estudia las aplicaciones de procesos y principios químicos y los insumos para la obtención de productos químicos sintéticos a gran escala como por ejemplo los plásticos, los cauchos, fibras textiles, fertilizantes, jabones, detergentes, ácido sulfúrico, soda cáustica, cloro, sodio, acido sulfúrico; etc.

Petroquímica: Estudia las aplicaciones de procesos y principios químicos para obtener los productos industriales a partir de los derivados del petróleo, carbón y gas natural.

Geoquímica.- Estudia la composición química de la tierra.

Astroquímica.- Estudia la composición química de los astros.

Farmoquímica.- Estudia las propiedades de las sustancias químicas y su acción nociva o benéfica sobre los seres vivos. Por ejemplo, la acción de la penicilina, las drogas y antibióticos en seres humanos.

MATERIA Y ENERGÍA

1. MATERIA

Es todo aquello que está a nuestro alrededor y ocupa un lugar en el espacio, se caracteriza por tener masa y es perceptible a nuestros sentidos; todo lo que forma el universo es materia, la cual se manifiesta como cuerpo físico o sustancia material y energía

2. ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA

En el interior de todo cuerpo material se manifiestan fuerzas de atracción intermolecular (Fc) y fuerzas de repulsión (Fr), según la intensidad de estas fuerzas se general el estado físico: sólido líquido o gaseoso, lo cual es fácil de reconocer por las características en forma y volumen del cuerpo.

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Donde:

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FC = Fuerza de cohesión o atracción intermolecular.Fr = Fuerza de repulsión intermolecular.Partícula = Molécula

A los líquidos y a los gases se los llama fluidos, debido a la gran movilidad de sus moléculas, por lo que no ofrecen resistencia a la deformación y por diferencia de presiones fluyen de mayor a temor presión.

Estado plasmático: Es un estado de alta energía, donde la materia esta totalmente ionizada en forma de cationes y electrones libres (X+ + e-). Las estrellas, por ejemplo el sol, están formadas por plasma de hidrógeno (H+ + e-) y helio (He+2 + 2e-), a temperaturas éste muy altas (T>10 000ºC). Por lo tanto el estado plasmático es el más abundante en el universo.

3. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA

3.1CAMBIO FÍSICO.- Es aquel en que varían una o más propiedades físicas de la materia, pero no hay cambios de composición, permaneciendo inalterables suficientes propiedades como para que pueda identificarse la sustancia original.

Uno de los ejemplos más familiares es la fusión del hielo. Si se comparan las propiedades del agua en estado sólido (hielo) y en estado líquido, ambos a 0°C, no hay duda que cambian algunas propiedades físicas. Un análisis del hielo y del agua demuestran idéntica composición: 88,9% de oxígeno y 11,1% de hidrógeno. Las propiedades químicas sin embargo son idénticas: se comporta de igual manera en contacto con las otras sustancias, ocurren el mismo tipo de reacciones, se forman los mismos productos, lo único que varía es la velocidad de reacción.

Cuando se calienta un alambre de platino, cambian varias propiedades físicas: se expande, se modifican su densidad, su conductividad y su maleabilidad, etc., pero un análisis demuestra que el alambre calentado tiene 100% de platino como cuando estaba frío. Sus propiedades químicas permiten reconocer el platino del alambre, antes, durante y después del calentamiento.

Los fenómenos físicos poseen dos características importantes: 1.- El cambio que sufre la materia no es permanente 2.- Pueden repetirse con la misma porción de materia tantas veces como se

desee

Con Aumento de Temperatura

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3.2CAMBIO QUÍMICO.- Es aquel que provoca modificaciones sustanciales en la materia de los cuerpos que intervienen, cambiando sus propiedades físicas y químicas.

Por ejemplo cuando se calienta una cinta de magnesio se obtiene un resultado diferente al del calentamiento del alambre de platino. La cinta se inflama emitiendo una intensa luz blanco-azulada, el magnesio se desmorona dando un polvo blanco que posee distintas propiedades físicas que la sustancia original: solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición, densidad, color, etc. También sus propiedades químicas son totalmente diferentes a las del magnesio. Un análisis muestra que el polvo blanco tiene 60% en peso de magnesio y 40% en peso de oxígeno, es una sustancia diferente al magnesio.

Los fenómenos químicos también poseen dos características importantes:

1.- Se producen cambios en la composición química de la materia que pueden apreciarse fácilmente en casos extremos en los que la diferencia es evidente (fenómenos irreversibles). Los casos de fenómenos reversibles, no son extremos porque siempre quedará parte de la materia inicial sin reaccionar.

2.- No pueden repetirse con la misma porción de materia. La química y la física prestan actualmente atención especial no solo a las modificaciones que experimenta la materia sino también a las transformaciones cualitativas y cuantitativas de la energía asociada a dichos fenómenos. Bajo este aspecto energético se puede también diferenciar los fenómenos físicos de los químicos. Con raras excepciones, los cambios químicos desprenden o absorben mucho más

Con Disminución de Temperatura

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energía que los cambios físicos. Por ejemplo: la formación química de un gramo de agua líquida a partir de los gases oxígeno e hidrógeno, desprende 47 veces más energía que cuando se forma físicamente 1 gramo de hielo por congelación de agua.

4. PROPIEDADES DE LA MATERIA.- Una sustancia se identifica de otras por medio de sus propiedades o cualidades físicas y químicas. Las propiedades de la materia pueden clasificarse en dos grandes grupos:

4.1PROPIEDADES GENERALES.- Son las propiedades que presenta todo cuerpo material sin excepción y al margen de su estado físico; así tenemos:

- Masa: Mide la cantidad de sustancia- Volumen: Un cuerpo ocupa un lugar en el espacio- Impenetrabilidad: El espacio ocupado por un cuerpo no puede ser

ocupado por otro al mismo tiempo.- Divisibilidad: Todo cuerpo puede dividirse en fracciones cada vez más pequeñas.- Porosidad: Todo cuerpo posee espacios intermoleculares- Peso: Todo cuerpo es atraído por acción de la gravedad.

4.2 PROPIEDADES ESPECÍFICAS.- Son propiedades peculiares que caracterizan a cada sustancia, permitiendo su diferenciación con otra y su identificación; entre estas podemos citar:

- Densidad- Punto de fusión- Punto de ebullición- Índice de refracción de la luz- Dureza- Tenacidad- Ductibilidad- Maleabilidad- Solubilidad- Reactividad- Actividad Óptica- Energía de ionización- Electronegatividad- Acidez- Basicidad- Calor latente de fusión- Calor latente de evaporación

A su vez las propiedades específicas pueden ser químicas o físicas dependiendo de si se manifiestan con o sin alteración en su composición interna o molecular.

Propiedades Físicas.- Son las que se manifiestan como respuestas a estímulos que no cambian la composición de la sustancia. Estas

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propiedades se estudian sin relacionar la sustancia con otras sustancias químicas específicas.

Entre las propiedades tenemos:DensidadEstado físico (sólido, líquido o gaseoso)Propiedades organolépticas (color, olor y sabor)Temperatura de ebulliciónPunto de fusiónSolubilidadDurezaConductividad eléctricaConductividad caloríficaCalor latente de fusión; etc.

A su vez las propiedades físicas pueden ser extensivas o intensivas.

Propiedades extensivas: El valor medido de esta propiedad depende de la cantidad de cuerpo material (masa).Como por ejemplo podemos citar: peso, área, volumen presión de un gas, calor ganado o perdido; etc.

Propiedades intensivas: El valor medido de estas propiedades no dependen de la cantidad de cuerpo material, su valor es constante a ciertas condiciones en la que se efectúa la medida. Como por ejemplo podemos citar: densidad, temperatura de ebullición, color, olor, sabor, calor latente de fusión, reactividad, energía de ionización, electronegatividad, molécula gramo, átomo gramo, equivalente gramo; etc.

Propiedades Químicas.- son las que se manifiestan como respuestas a estímulos que cambian la composición de la sustancia. Estas propiedades se estudian observando el comportamiento de la sustancia, cuando se la coloca en contacto con otras bajo diversas condiciones o por acción de energía externa. Se asocian a las reacciones químicas. Por ejemplo: una lista de propiedades químicas del agua incluye la descripción del comportamiento de ésta cuando se la coloca en contacto con hierro, sodio, y tantos otros materiales como sea posible observar; así también la acción de la electricidad sobre ella (electrólisis):

Fácilmente se comprende que cuando se determina la masa o la densidad de un trozo de hierro (propiedades físicas), antes y después de las determinaciones el material es hierro. En cambio, si el trozo de hierro se introduce en un ácido mineral (ácido clorhídrico por ejemplo) se pondrá de manifiesto una propiedad química del metal, ya que luego de la interacción los materiales que aparecen no son hierro ni ácido

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clorhídrico. La composición de ambos materiales iniciales se ha visto alterada.

Hay que insistir que ninguna propiedad sencilla sirve por sí sola para reconocer una clase de materia (sustancia); para ello es necesaria la relación de varias propiedades, entre ellas las químicas.

5. CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA.- Existen diversos tipos de cuerpos p sustancias que se presentan en la naturaleza bajo diversas formas y tamaños. A continuación se muestra un diagrama de la clasificación general de la materia.

5.1 Sustancia.- Es la materia químicamente homogénea, en su composición existe un mismo tipo de átomos o un mismo tipo de moléculas.

5.1.1 Sustancia Simple.- Esta constituida por átomos de un mismo elemento (o moléculas homoatómicas), por lo tanto no pueden descomponerse en otras sencillas; ejemplo el hierro, mercurio, oxígeno, fósforo, etc. No pueden descomponerse en sustancias mucho más simples o sencillas.

Cuerpo Material Energía

Materia

Sustancia química(Especie química)

Mezcla

Sustancia simple(Elemento)

Sustancia compuesta(Compuesto)

Homogénea Heterogénea

- Cu- Ag- Ne- Ar

- H2O- NaCl- C12H12O11

- HCl- C2H5OH

- Agua azucarada- Agua de mar- Aire seco- Agua gaseosa- Acero

- Agua turbia- Leche- Pintura- Gelatina- Jarabe

- Energía mecánica- Energía eléctrica- Energía Luminosa- Energía Calorífica; etc.

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5.1.2 Sustancia Compuesta.- Esta constituida por átomos de elementos diferentes o moléculas hetereoatómicas) unidos químicamente (por enlace químico); por lo tanto son susceptibles a descomponerse en sustancias sencillas en cuanto se refiere a su constitución atomística. Las sustancias se clasifican en orgánicas e inorgánicas.Ejemplo: H2O H2 + O2

5.2 Mezcla.- Es la reunión de dos o más sustancias químicas en cualquier proporción, donde las propiedades de los componentes se conservan, o sea no hay combinación química por lo tanto son susceptibles a la separación por medios mecánicos o físicos. Casi todos los cuerpos materiales que nos rodean son mezclas, por lo tanto es muy difícil encontrar sustancias químicas puras. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas.

5.2.1 Mezcla homogénea.- Es aquella que, a simple vista o con ayuda de instrumentos como el microscopio no se puede diferenciar la separación de sus componentes; por lo tanto constituye una masa homogénea.

5.2.2 Mezcla heterogénea.- Es aquella que a simple vista o con ayuda de instrumentos, se diferencia la separación de sus componentes y cualquier porción que se tome tendrá composición y propiedades diferentes.

Son ejemplos de mezclas homogéneas Son ejemplos de mezclas heterogéneas

- Agua azucarada - Agua y aceite- El aire (libre de partículas suspendidas) - Limaduras de hierro y azufre en polvo- El acero (aleaciones de C y Fe) - Suspensiones (aire polvoriento, agua

turbia, jarabe, laxantes; etc)- Agua potable, agua de ríos, mares y

lagos- Coloides (leche, almidón, clara de

huevo, pinturas, geles, mayonesa, mantequilla, neblina, queso, piedra pómez, espuma, sangre; etc.

- Las bebidas gasificadas- Latón (aleaciones de Zn y Cu)- Bronce (aleaciones de Sn y Cu) - Mezcla de arena y cemento.- Keroseno, gasolina, gas natural, etc. - Benceno y agua.- Agua oxigenada- Vinagre- Agua regia (HCl + HNO3)

6. ENERGÍA.- Es una forma o cualidad intangible de la materia que causa un cambio o interacción de cuerpos materiales; en otros términos, es la capacidad para realizar trabajo. Por lo tanto, todo cambio (o fenómeno) físico, químico o nuclear que ocurre en cuerpos materiales es causado por la energía. La energía puede ser mecánica (cinética o potencia), calorífica, luminosa, eléctrica, nuclear, electromagnética (ondas TV, ondas de radio, microondas, rayos X; etc.)