Los materiales y sus propiedades

Transcripción

1 Los materiales y sus propiedades Los diversos objetos que nos rodean están formados por materia, que se presenta de formas distintas. Podemos Los investigar diversos la objetos materia que midiendo nos rodean sus magnitudes están formados y estudiando algunas que se presenta de sus propiedades. de formas distintas. Podemos por materia, investigar la materia midiendo sus magnitudes y estudiando algunas de sus propiedades. 1. La materia y y su su medida 2. Los estados físicos de la la materia 3. Algunas Propiedades propiedades específicas específicas de las materia sustancias

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3 1. La materia y su medida 1.1 La materia y los materiales Constantemente fijamos la mirada en alguno de los numerosos cuerpos que nos rodean; todos ellos están formados por materia. Por ejemplo, una hoja de papel, las paredes de una habitación, las personas, las plantas, el mar, las nubes están formados por materia. Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. La madera, el agua, la sal, el corcho son clases de materia diferentes. Las clases de materia que se emplean para construir o fabricar objetos diversos se denominan materiales. La materia puede encontrarse en tres estados distintos: sólido, líquido y gaseoso. Son los denominados estados físicos de la materia. 1.2 Magnitud y unidad de medida Cuál de estas mesas es más alta? Qué probeta contiene más líquido? La madera, el cobre y el vidrio son ejemplos de materiales. La longitud, el volumen, la altura, la masa, el tiempo y la velocidad son magnitudes. Es decir, todo aquello que se puede medir es una magnitud. La mesa y la probeta no son magnitudes, pero sí lo son su altura y su volumen. Magnitud es cada una de las características de un cuerpo que se puede medir. Para medir una magnitud hay que determinar previamente una cantidad de esta, llamada unidad. Al medir, se comparan dos cantidades de una misma magnitud: la cantidad que queremos medir con la unidad de medida. El resultado de una medición se expresa siempre mediante un número seguido de la unidad. El sistema internacional de unidades Actualmente, para medir las diversas magnitudes conocidas, la mayoría de los países del mundo ha acordado utilizar un conjunto de unidades que recibe el nombre de sistema internacional de unidades y que se conoce por SI. Se basa en el antiguo sistema métrico decimal, al que perfecciona y actualiza. En el sistema internacional de unidades se adopta como unidad de longitud el metro (m); como unidad de vo lumen, el metro cúbico (m 3 ); y como unidad de masa, el kilogramo (kg). 6

4 1.3 Medida del volumen Las unidades de volumen En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de volumen es el metro cúbico, que se simboliza con m 3. El metro cúbico es el volumen de un cubo de un metro de lado. Para medir volúmenes más pequeños utilizamos submúltiplos del metro cúbico. 10 cm 10 cm decímetro cúbico (dm 3 )... 1 m 3 = 1000 dm 3 centímetro cúbico (cm 3 )... 1 dm 3 = cm 3 milímetro cúbico (mm 3 )... 1 cm 3 = mm Son necesarios cm 3 para llenar un dm 3. El litro y el centilitro son unidades de capacidad. La normativa del sistema internacional acepta que se utilicen las unidades de capacidad para expresar volúmenes de líquidos o gases y para medir capacidades de recipientes. El litro se simboliza con l o L y sus submúltiplos más utilizados son los siguientes: decilitro (dl) = 0,1 L centilitro (cl) = 0,01 L mililitro (ml) = 0,001 L Un litro equivale a un decímetro cúbico: 1 L = 1 dm 3 Un mililitro equivale a un centímetro cúbico: 1 ml = 1 cm 3 1 dm 3 de agua coloreada llenaría una botella cuya capacidad es de 1 litro. Medida del volumen de un líquido Para medir el volumen de un líquido podemos utilizar diversos recipientes. Recipientes graduados, que tienen una escala en la cual podemos leer el volumen. Recipientes aforados, que tienen una marca llamada de enrase. Los recipientes aforados solo permiten medir un determinado volumen de líquido. A B C A C T I V I D A D E S 1 En una receta de cocina se lee «añadir medio litro de agua». Podemos utilizar un vaso medidor cuya capacidad es de 25 cl? Razoná la respuesta. Recipientes para medir volúmenes de líquidos que se utilizan en el laboratorio: A. Matraz aforado. B. Probeta. C. Bureta. D. Pipeta. D 7

5 Medida del volumen de los sólidos Para medir el volumen de un sólido podemos utilizar dos procedimientos: Determinación por inmersión en un líquido Podemos medir el volumen de un sólido, si no es soluble en agua ni es demasiado grande, de la siguiente manera: Añadimos agua a una probeta graduada y anotamos su volumen: V 1 = 75 cm 3 75 cm3 78 cm3 Introducimos el sólido en la probeta y medimos de nuevo el volumen alcanzado: V 2 = 78 cm 3 Calculamos el volumen del sólido. El volumen V del sólido será: V = V 2 V 1 = 78 cm 3 75 cm 3 = = 3 cm 3 Determinación a partir de sus dimensiones Para calcular el volumen de sólidos de formas geométricas, como el cubo, el ortoedro, el cilindro, el cono, etc., podemos utilizar fórmulas matemáticas. Altura h Longitud L Ancho l V = L l h Altura h radio r Lado l V = π r 2 h π = 3,14 V = l 3 A C T I V I D A D E S 2 Para averiguar el volumen de una moneda de veinticinco centavos de peso medí con una probeta graduada, por inmersión en un líquido, el volumen de 10 o 20 monedas de $ 0,25. Dividí el resultado por el número de monedas. Por qué es mejor medir el volumen de varias monedas juntas que el de una sola? 8

6 1.4 Medida de la masa Las unidades de masa La unidad de masa en el sistema internacional es el kilogramo, simbolizado por kg. Para medir masas pequeñas se utilizan los submúltiplos del kilogramo, algunos de los cuales son: gramo (g) miligramo (mg) 1 kg = g 1 g = mg El kilogramo patrón El kilogramo se define como la masa de un cilindro de platino, llamado ki - lo gramo patrón que se conserva en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Sèvres, París. Se guarda protegido por varias campanas de vidrio. Los organismos responsables de pesas y medidas de mu chos países poseen copias muy exactas del kilogramo patrón. Para medir masas muy grandes, todavía se usa la tonelada métrica (t), que en el sistema internacional recibe el nombre de megagramo (Mg). 1 t = kg Medida de la masa de un líquido Para medir la masa de un líquido son necesarias tres operaciones: a) Se determina con una balanza la masa del recipiente vacío: m 1 b) A continuación, se determina la masa del recipiente con el líquido: m 2 c) Finalmente, se calcula la masa m del líquido: m = m 2 m 1 El kilogramo patrón. En las siguientes figuras puedes ver otras formas de determinar la masa de un líquido contenido en un recipiente. Para pesar un líquido, primero se coloca en un platillo el recipiente vacío y se equilibra colocando en el otro platillo una tara (por ejemplo, arena o pequeños perdigones). Después, se añade el líquido y se equilibra con pesas. La masa total de las pesas es igual a la masa del líquido. En las balanzas electrónicas se coloca el recipiente vacío en el platillo y se pulsa el botón «tara». Automáticamente, la balanza descontará la masa del recipiente, con lo que marcará 0. Si entonces se añade líquido, la balanza marcará solo su masa, como si no tuviese recipiente. 9

7 Medida de la masa de los sólidos Para medir la masa de un sólido existen varios instrumentos; uno de ellos es la balanza. Hay muchos tipos de balanzas. Balanza antigua de platillos. El pesacartas es una balanza especialmente diseñada para pesar cartas y pequeños paquetes postales. La balanza de laboratorio del tipo balanza granataria se usa para medir masas generalmente pequeñas. Para medir la masa de un cuerpo cualquiera, se coloca en uno de los platillos y se ponen pesas en el otro hasta que la balanza queda equilibrada. La masa total de las pesas es entonces igual a la masa del cuerpo. Actualmente se utilizan balanzas electrónicas que indican directamente en una pantalla la masa del cuerpo. Basta con depositarlo sobre el único platillo y leer el resultado que se muestra. Hay que tener en cuenta que la masa que se coloque no puede sobrepasar un determinado valor indicado en la parte frontal del instrumento. A C T I V I D A D E S 3 Indicá el múltiplo o submúltiplo del kilogramo más apropiado para medir la masa de los cuerpos siguientes: un camión, una estampilla, una birome, una heladera y un libro. 10

8 2. Los estados de la materia Ya sabés que la materia puede encontrarse en estado sólido, líquido o ga - seoso. Son los denominados estados físicos de la materia. Veamos algunas de las principales propiedades que nos sirven para diferenciar estos tres estados. Materia en estado sólido Materia en estado líquido Materia en estado gaseoso Cristal de sulfato de cobre. Agua. Dióxido de nitrógeno (visible por su color). 2.1 Estado sólido La materia en estado sólido tienen una forma propia. Se los puede deformar, es decir, cambiar de forma (a unos más que a otros), pero se ha de realizar un esfuerzo para conseguirlo. Aunque un sólido sea deformable, su volumen apenas varía, por ello decimos que son prácticamente incompresibles. 2.2 Estado líquido La materia en estado líquido no tienen forma fija. Cuando están dentro de un recipiente adoptan la forma de este; pero la parte superior del líquido en contacto con el aire, llamada superficie libre, es plana y horizontal (figura A), excepto en la zona próxima a la pared del recipiente, donde se curva visiblemente. Aunque se les aplique una gran presión, los líquidos apenas disminuyen de volumen, son prácticamente incompresibles, como los sólidos. A La superficie libre de un líquido en reposo permanece plana y horizontal, excepto en la zona de contacto con la pared. B Esta jeringa contiene agua coloreada pa ra que se vea bien. Si se impide la salida del lí - quido con el dedo y se aprieta el émbolo, se logra comprimir el líquido? Comprobalo. El estado del plasma Existe un cuarto estado de la materia, llamado plasma. Este estado se alcanza cuando la temperatura de la materia es muy elevada (desde algunos miles hasta millones de grados centígrados). Prácticamente la totalidad de la masa del Sol y de las demás estrellas se encuentra en estado de plasma. La mayor parte de la materia del universo está en ese estado. 11

9 Los cambios de estado Cuando una sustancia pasa de un estado físico a otro decimos que cambia de estado. La mayoría de los sólidos cuando se calientan suficientemente se funden y los líquidos se vaporizan. Al contrario, al enfriar un gas se condensa o licua y un líquido, se solidifica. Hay algunas sustancias que al calentarlas pasan directamente del estado sólido al gaseoso, y al enfriarlas pasan directamente del estado gaseoso al sólido. 2.3 Estado gaseoso La materia en estado gaseoso no tiene una forma fija y ocupa todo el volumen del recipiente que la contiene, que debe estar cerrado, pues los gases tienden a expandirse, es decir, a ocupar el mayor volumen posible. Esta propiedad se llama expansibilidad. Los gases se pueden comprimir, es decir, su volumen disminuye notablemente cuando se aplica presión sobre ellos; por ese motivo decimos que son compresibles. Gracias a esta propiedad es posible almacenar una gran cantidad de gas en un volumen relativamente pequeño, pero si un gas se comprime mucho, puede llegar a reventar el recipiente que lo contiene. Por ello, los gases se suelen almacenar en botellas o garrafas metálicas capaces de resistir fuertes presiones sin romperse. En el siguiente esquema figuran los nombres que reciben los distintos cambios de estado. Fusión Sólido Solidificación Líquido Sublimación Sublimación o cristalización Condensación o licuación Vaporización Gas El aire no es visible. Pero podemos ver las burbujas que forma al expulsarlo del interior de una jeringa bajo la superficie del agua. 2.4 Los fluidos La jeringa contiene aire. Si se aprieta el émbolo impidiendo con el dedo la salida del aire, se logra comprimirlo? Comprobalo. Tanto los líquidos como los gases pueden resbalar sobre una superficie, o deslizarse por el interior de un tubo, o salir a través de un agujero en la pared de su recipiente. Esta forma de moverse se llama fluir; por esa razón, a los líquidos y a los gases se los llama fluidos. A C T I V I D A D E S 4 Comentá la frase: «Los gases tienden a expandirse y son compresibles» Explicá, mediante algunos ejemplos, dónde se puede encontrar agua en la naturaleza en cada uno de los tres estados. Explicá el significado de los siguientes términos: fusión, sublimación, vaporización. Por qué a los gases y a los líquidos se los llama fluidos? 12

10 3. Propiedades específicas de la materia E J E M P L O Tenemos dos objetos, uno de vidrio y otro de hierro, y hemos observado algunas de sus propiedades: uno de los objetos tiene un volumen de 25 cm 3 y una masa de 100 g; uno de ellos es transparente (deja pasar la luz); uno resiste los golpes sin romperse; uno es de forma redondeada; uno es incoloro (no tiene color); uno tiene una temperatura de 20 ºC; uno es atraído por un imán. Algunas de estas propiedades no dependen de la materia de la que están hechos estos objetos, lo mismo pueden pertenecer al objeto de hierro que al de vidrio; cuáles son? Las restantes propiedades solo pueden corresponder a uno de los objetos, a cuál de ellos? El ejemplo anterior nos hace caer en la cuenta de que algunas propiedades de la materia, como la masa, el volumen, la temperatura o la superficie, no nos dicen nada sobre la clase de materia que los constituye. Pero los objetos poseen también muchas otras propiedades que dependen de la sustancia de la cual están formados. Estas propiedades son las llamadas propiedades características o específicas, que nos permiten muchas veces diferenciar y reconocer las distintas sustancias. Veamos algunas de estas propiedades. 3.1 Color, sabor y olor Muchas sustancias tienen un color característico que permite, si no reconocerlas (puede haber otras del mismo color), al menos distinguirlas de otras muchas. A las sustancias que no tienen color se las llama incoloras. Colorantes alimentarios Los colorantes alimentarios son sustancias que se utilizan para dar un aspecto más atractivo a bebidas y comestibles. Todas las sustancias que se añaden a los alimentos deben figurar en las etiquetas y, con el fin de velar por la salud de las personas, su uso se regula por las leyes y está cuidadosamente controlado. A B C Algunas sustancias se distinguen de otras por su color. A. El azufre es de color amarillo. B. El cobre es de color rojizo. C. El cinc es de color gris. El olor y el sabor son propiedades que sirven para diferenciar diversas clases de materia. Algunas sustancias se usan por su olor, por ejemplo, en la elaboración de perfumes o de aromas. A las sustancias que no huelen se las llama inodoras. Otras se emplean por su sabor, esencialmente en las industrias alimentaria y farmacéutica. A las sustancias que carecen de sabor se las denomina insípidas. RECORDÁ QUE... Jamás debes oler directamente sustancias desconocidas y menos aún probarlas, porque esto puede producirte graves trastornos, como lesiones en las vías respiratorias, intoxicaciones y envenenamientos. 13

11 3.2 Dureza El sodio es un metal muy blando. Se corta fácilmente con un cuchillo. Es la resistencia que los sólidos oponen a ser penetrados o rayados por otros sólidos. El diamante es la sustancia más dura que se conoce; con él se pueden rayar los demás sólidos. Su gran dureza se aprovecha para fabricar herramientas con punta de diamante, que sirven para cortar los materiales más duros. El plomo, por el contrario, es un metal blando. Se raya fácilmente con un punzón de acero; por ello, decimos que el plomo es más blando que el acero. E X P E R I E N C I A Conseguí algunos trozos de materiales de diferente dureza, como aluminio, cera, plástico, plomo y porcelana. Compará la dureza de estos materiales intentando rayar cada uno de ellos con los demás. Ordenalos de mayor a menor dureza. El aluminio es un metal maleable, porque se puede extender en láminas. 3.3 Tenacidad Un material es tenaz cuando resulta difícil de romper o de deformar. Es una propiedad esencial en los materiales empleados para fabricar piezas que han de resistir grandes esfuerzos, como las vigas de los edificios, las herramientas, las piezas de los motores, etc. No hay que confundir dureza con tenacidad. El vidrio, por ejemplo, es muy duro (existen pocos materiales que puedan rayarlo) pero no es tenaz (se rompe fácilmente con un golpe); decimos por ello que es un material frágil. 3.4 Elasticidad Todos los cuerpos sólidos se pueden deformar en mayor o menor grado al aplicarles fuerzas. La elasticidad es la propiedad de recuperar la forma inicial al cesar estas fuerzas. Una cinta o tira de goma, un resorte en espiral y un muelle son algunos ejemplos corrientes de cuerpos elásticos. Actualmente se utilizan muchos tejidos elásticos en la confección de prendas de vestir. 3.5 Maleabilidad y ductilidad La maleabilidad es la propiedad que tienen algunas sustancias de poder extenderse en láminas delgadas sin romperse. Es una propiedad que poseen muchos metales. La ductilidad es la propiedad que tienen algunas sustancias de poder estirarse en hilos. El oro es el metal más maleable y dúctil, seguido de la plata y el cobre. Se pueden obtener láminas de oro de un grosor inferior a 0,0001 mm. Estas láminas son tan finas que llegan a ser casi transparentes. Con un gramo de oro se puede obtener un hilo de 2 km de longitud! 14

12 3.6 Solubilidad en los líquidos Si ponemos virutas de aluminio en un vaso, aunque lo removamos, el aluminio acabará depositándose en el fondo sin experimentar ningún cambio. Pero, si se hace lo mismo con un poco de sulfato de cobre y se remueve, la cantidad de sustancia sólida va disminuyendo mientras el líquido se tiñe de color azul; decimos que el sulfato de cobre se disuelve con agua. De las sustancias que se disuelven en el agua, decimos que son solubles en agua. A las que no se disuelven las llamamos insolubles en agua. Muy frecuentemente se utilizan sustancias disueltas en líquidos. A estos líquidos les damos el nombre de solventes. El más barato y abundante y, por lo tanto, el más usual, es el agua; pero, como hay muchas sustancias insolubles en ella es necesario emplear también otros disolventes. La industria consume actualmente gran cantidad y diversidad de solventes. La solubilidad en diferentes solventes es otra de las propiedades que nos permiten diferenciar unas sustancias de otras. 3.7 Conductividad eléctrica Los materiales que dejan pasar las cargas eléctricas a través de sí son conductores, y los que prácticamente no permiten el paso de cargas eléctricas son aislantes. Son buenos conductores los metales y las aleaciones; y son aislantes, la madera, el corcho, el vidrio y los plásticos. Los metales, especialmente el cobre, como el de la fotografía, pero también la plata y el aluminio, son buenos conductores de las cargas eléctricas. A C T I V I D A D E S 8 Comentá la frase: «El oro es un metal muy dúctil y maleable» Qué significa que un material es tenaz? Un material puede ser a la vez duro y frágil? Aclaralo poniendo un ejemplo. 15

13 Tabla 1 Puntos de fusión en ºC Helio 272 Alcohol 130 Mercurio 39 Agua 0 Plomo 334 Plata 960 Oro Hierro Platino Puntos de fusión y ebullición Las sustancias puras son las que están constituidas por una sola sustancia, como por ejemplo el oro, el agua, el hidrógeno, etc. El punto de fusión y el punto de ebullición son propiedades características de estas sustancias. Punto de fusión. Fusión es el paso del estado sólido al líquido. Los cuerpos sólidos se funden cuando se calientan. Un cubito de hielo recién sacado del congelador puede encontrarse a una temperatura de 15 ºC. Si lo calentamos lentamente, vemos que, cuando alcanza una temperatura de 0 ºC (si la presión atmosférica es la normal), empieza a fundirse. Mientras se está fundiendo, la temperatura se mantiene en dicho valor. Decimos que el punto de fusión del hielo es de 0 ºC. Tabla 2 Puntos de ebullición en ºC Helio 269 Oxígeno 183 Éter 35 Acetona 56 Alcohol 78 Agua 100 Ácido sulfúrico 338 Mercurio 357 Azufre 445 Aluminio Hierro Tabla 3 Punto Punto de fusión de ebullición en ºC en ºC Butano 135 0,5 Benceno 5,5 80,1 Fenol 40,9 182,2 El punto de fusión de una sustancia pura es la temperatura a la que se funde a la presión atmosférica normal. Punto de ebullición. A medida que calentamos agua, su temperatura irá aumentando. Si lo hacemos en un recipiente abierto y la presión del aire es la normal, al alcanzar los 100 ºC, el agua empezará a hervir. Mientras esté hirviendo, su temperatura no variará. Decimos que el punto de ebullición del agua es de 100 ºC. El punto de ebullición de un líquido puro es la temperatura a la que hierve cuando está en un recipiente abierto y la presión atmosférica es la normal. Cada sustancia pura hierve y se funde a una temperatura determinada; por ello, los puntos de ebullición y de fusión son propiedades características que sirven para identificar las sustancias puras. El que una sustancia se encuentre habitualmente en estado sólido, líquido o gaseoso depende de sus puntos de fusión y ebullición. E J E M P L O A partir de los valores de la tabla 3 podemos saber cuál será el estado físico de cada una de las citadas sustancias a una temperatura ambiente de 25 ºC. El butano será un gas, pues 25 ºC es una temperatura superior a su punto de ebullición. El benceno será líquido, pues 25 ºC es una temperatura más alta que su punto de fusión y más baja que su punto de ebullición. El fenol será sólido, porque a 25 ºC no ha alcanzado aún su punto de fusión. A C T I V I D A D E S 11 Por qué el mercurio es un líquido a temperatura ambiente de 25 ºC? 12 La base de investigación científica situada en el mismo Polo Sur de la Tierra ha llegado a registrar temperaturas de 88 ºC. A esta temperatura ambiente, en qué estado físico se encontrarían el butano, el benceno y el fenol? (Recurrí al ejemplo anterior.) 16

14 3.9 La densidad Dos cuerpos de diferentes sustancias, aunque tengan el mismo volumen, no tienen generalmente la misma masa. Así, por ejemplo, 1 cm 3 de hierro tiene una masa mucho mayor que 1 cm 3 de corcho. Decimos, entonces, que el hierro es más denso que el corcho. De igual manera, determinado volumen de alcohol tiene una masa menor que el mismo volumen de agua; decimos que el alcohol es menos denso que el agua. E X P E R I E N C I A Se miden con una balanza las masas de pequeños cubos macizos de 1 cm 3 de aluminio, de cobre y de plomo: 1 cm 3 de aluminio tiene una masa de 2,7 g. 1 cm 3 de cobre tiene una masa de 8,9 g. 1 cm 3 de plomo tiene una masa de 11,3 g. En general, la experiencia confirma que para cada sustancia existe una relación entre su masa y su volumen. Se llama densidad de una sustancia a la masa de cada unidad de volumen de dicha sustancia. Si la masa se expresa en gramos y el volumen en centímetros cúbicos, la densidad del aluminio es de 2,7 gramos por centímetro cúbico. Se escribe así: 2,7 g/cm 3. Cuáles son las densidades del cobre y del plomo? Cada sustancia pura se caracteriza por presentar siempre la misma densidad a igual temperatura y presión. La densidad es, pues, una propiedad característica muy importante de las sustancias puras. E J E M P L O Cuál es la densidad de una moneda de plata que tiene una masa de 52 g y un volumen de 5 cm 3? Al dividir la masa entre 5, se obtiene la masa de 1 cm 3, es decir, la densidad. 52 g Densidad = = 10,4 g/cm 3 5 cm 3 17

15 Unidades de densidad La densidad se representa por la letra griega rho (ρ). Cálculo de la densidad Para calcular la densidad de un cuerpo de una determinada sustancia, se divide su masa entre su volumen. masa m Densidad = ; es decir, ρ = volumen V La unidad de densidad en el sistema internacional (SI) es el kilogramo por metro cúbico (kg/m 3 ), ya que la unidad de masa en este sistema es el kilogramo, y la unidad de volumen, el metro cúbico. Sin embargo, en el laboratorio, las densidades se expresan habitualmente en g/cm 3. Cambio de unidad Si una densidad viene expresada en g/cm 3 y queremos expresarla en kg/m 3, o viceversa, cómo hemos de proceder? Fijate en el siguiente ejemplo. E J E M P L O La densidad del oro a temperatura ambiente es de 19,3 g/cm 3. Expresá esta densidad en kg/m 3. Recordá que 1 kg = g = 10 3 g; y 1 m 3 = cm 3 = 10 6 cm 3. Multiplicaremos los 19,3 g/cm 3 por dos fracciones. Cada fracción recibe el nombre de factor de conversión. Las cantidades del numerador y del denominador de cada fracción han de ser equivalentes. g g 1 kg 10 6 cm ρ = 19,3 = 19,3 3 = kg/m 3 cm 3 cm g 1 m 3 El primer factor de conversión nos ha permitido pasar de g a kg; el segundo, de cm 3 a m 3. (Observá que las unidades se simplifican como si fueran factores numéricos.) A C T I V I D A D E S Una sustancia puede tener al mismo tiempo un volumen muy grande y una masa muy pequeña? Aclaralo con un ejemplo. Si 400 cm 3 de un líquido tiene una masa de 360 g, cuál es la densidad de este líquido? La densidad del plomo es kg/m 3 ; expresala en g/cm 3. El aluminio es un metal que tiene una densidad de 2,7 g/cm 3. Expresá la densidad del aluminio en kg/m 3. Cuál de estas dos densidades es mayor: 240 kg/m 3 o 1,5 g/cm 3? 18

16 Valores de la densidad Las sustancias presentan densidades muy diversas: desde los gases, que son muy poco densos, hasta algunos metales, que son muy densos. El aire que nos envuelve, por ejemplo, tiene aproximadamente una densidad de 0,0013 g/cm 3 ; en cambio, un metal como el platino tiene una densidad de 21,4 g/cm 3. En la siguiente tabla se muestran las densidades de diversas sustancias a temperatura ambiente expresadas en kg/m 3 y en g/cm 3. No figuran gases porque su densidad varía de forma considerable con la temperatura y la presión. Algunas de las densidades que aparecen en la tabla no son de sustancias puras. Tabla 4. Densidades a 25 ºC y presión atmosférica normal Sólidos macizos kg/m 3 g/cm 3 Corcho 200 a 240 0,2 a 0,24 Madera de pino 500 a 700 0,5 a 0,7 Hielo 915 0,915 Madera de ébano ,2 Cuarzo ,65 Aluminio ,7 Hierro ,8 Cobre ,9 Plata ,4 Plomo ,3 Oro ,3 Platino ,4 Líquidos kg/m 3 g/cm 3 Éter 736 0,736 Nafta 740 0,74 Alcohol 790 0,79 Acetona 790 0,79 Benceno 880 0,88 Petróleo 880 0,88 Aceite de oliva 920 0,92 Agua pura Agua de mar ,02 Leche ,03 Glicerina ,26 Tetracloruro de carbono ,59 Mercurio ,6 Es importante señalar que las densidades de los sólidos se refieren a cuerpos macizos; es evidente que la densidad de un cuerpo hueco es menor que la del mismo cuerpo macizo. Muchos de los cuerpos que conocemos y utilizamos no son homogéneos. En ellos podemos distinguir porciones de distinta densidad. Llamaremos a la densidad de esta clase de muestras densidad media. Por ejemplo, si dividimos la masa de un limón entre su volumen, obtendremos un cociente que será distinto de la densidad de la piel, de la pulpa y de las semillas. El valor hallado lo consideraremos como densidad media del limón. Aluminio, magnesio y mercurio. De entre las densidades que figuran en la tabla conviene que recuerdes la del agua pura. Densidad del agua: ρ = 1 g/cm 3 = kg/m 3 19

17 RECORDÁ QUE... Para resolver un problema debés: Escribir la fórmula que vas a emplear para efectuar los cálculos. Escribir las unidades utilizadas en todas las cantidades y muy especialmente en los resultados. Emplear las unidades adecuadas. Así, para calcular el volumen de un cuerpo en cm 3, si la masa está expresada en gramos, la densidad deberá expresarse en g/cm 3. Aplicaciones de la densidad a. Cálculo de la masa de un cuerpo conociendo su volumen y su densidad. De la fórmula de la densidad, ρ = m/v, se obtiene la masa: m = ρv La masa se calcula multiplicando la densidad por el volumen. E J E M P L O Cuál es la masa de un bloque de mármol de 3 m 3 de volumen? El mármol tiene una densidad de kg/m 3 ; es decir, que cada m 3 de mármol tiene una masa de kg. La masa del bloque de mármol es: kg 3 m 3 m = ρv = = kg m 3 b. Cálculo del volumen de un cuerpo conociendo su masa y su densidad. De la fórmula: ρ = m/v se obtiene el volumen: V = m/ρ El volumen de un cuerpo se puede calcular dividiendo la masa entre la densidad. E J E M P L O Cuál es el volumen de 80 g de alcohol? En la tabla de densidades, podés leer que la densidad del alcohol es 0,8 g/cm 3. El volumen de 80 g de alcohol es: m 80 g V = = = 100 cm 3 ρ 0,8 g/cm 3 A C T I V I D A D E S 18 Calculá la masa de 50 dm 3 de acetona Un frasco contiene 50 cm 3 de mercurio. Cuál es la masa de mercurio? Una llave maciza cuya masa es 52 g está hecha de latón, que es una aleación de cobre y cinc con una densidad de 8 g/cm 3. Calculá el volumen de esta llave. Un objeto macizo tiene una masa de 800 g y una densidad de 5 g/cm 3. Otro objeto, también macizo, de 640 g de masa, tiene una densidad de 4 g/cm 3. Cuál de los dos objetos tiene mayor volumen? Puede tratarse de dos objetos de la misma clase de materia? Tenemos cuatro soldaditos exactamente iguales, pero elaborados con distintos materiales: uno es de plomo; otro, de hierro; otro, de plata, y otro, de aluminio. Ordenalos, sin hacer cálculos, de mayor a menor masa. Consultá la tabla 4. 20

18 Qué cuerpos flotan en un líquido? Cómo podemos saber si al sumergir totalmente un cuerpo macizo en un líquido, flotará o se hundirá? Observá estas fotografías. E X P E R I E N C I A El hielo flota porque su densidad es menor que la del agua líquida. En cambio, los tornillos de hierro se hunden porque su densidad es mayor que la del agua. Por qué los mismos tornillos de hierro flotan perfectamente en el mercurio? Porque la densidad de los tornillos es menor que la del mercurio. La experiencia nos enseña que, cuando un sólido macizo tiene menos densidad que un líquido, flota en él. Si la densidad del sólido macizo es mayor que la del líquido, se hunde. Qué ocurrirá si ambas densidades, la del líquido y la del sólido, son iguales? En este caso, el cuerpo queda completamente sumergido, sin hundirse ni subir a la superficie. Decimos que queda entre dos aguas. Prepará una solución de sal en agua. Añadile seguidamente un huevo duro. Repetí la experiencia con agua de la canilla en lugar de agua salada. En qué caso el huevo se hunde y en qué caso flota? Añadí agua de la canilla al agua salada, poco a poco y agitando. Podrás conseguir que el huevo quede en el interior del líquido sin subir ni bajar. En estas condiciones, qué relación existe entre la densidad del huevo y la del líquido? Anotá tus observaciones. A C T I V I D A D E S Se introducen en agua tres cuerpos macizos, A, B y C, cuyas masas y volúmenes son: Cuerpos Masa Volumen Cuerpo A 200 g 50 m 3 Cuerpo B 60 g 25 m 3 Cuerpo C 20 g 50 m 3 Qué cuerpos se hunden y cuáles flotan? Justificá la respuesta. En una probeta se echan con cuidado diferentes líquidos y objetos sólidos macizos que floten en ellos. Razoná cuál será el orden de superposición de los líquidos y los objetos que flotarán en ellos utilizando la tabla de densidades. Tapón de corcho Petróleo Vela Agua Madera de ébano Tetracloruro de carbono Bola de hierro Mercurio Los líquidos empleados en esta experiencia no se mezclan entre sí, se dice que son inmiscibles. Sugerí cuerpos de otras sustancias que también queda - rían flotando entre dos líquidos. 21

19 R E S U M E N Materia y materiales Materia es todo aquello que nos rodea y que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Los materiales son las clases de materia que se utilizan para fabricar o construir objetos diversos. Magnitudes Magnitud es cada una de las características de un cuerpo que se puede medir. La unidad de volumen en el SI es el metro cúbico (m 3 ). Algunos de los submúltiplos son el decímetro cúbico (dm 3 ), el centímetro cúbico (cm 3 ) y el milímetro cúbico (mm 3 ). La unidad de masa en el Si es el kilogramo (kg). El gramo y el miligramo son algunos de sus submúltiplos. Estados físicos de la materia La materia puede encontrarse en tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Cuando una sustancia pasa de un estado físico a otro decimos que cambia de estado. Estado sólido Estado líquido Estado gaseoso Los cuerpos en estado sólido tienen forma propia. Son prácticamente incompresibles. Los cuerpos en estado líquido no tienen forma fija. Son prácticamente incompresibles. Los cuerpos en estado gaseoso no tienen forma fija y tienden a ocupar todo el espacio del recipiente que los contiene. Son compresibles. Propiedades características de la materia Densidad de las sustancias Algunas propiedades características de la materia son: color, olor y sabor; dureza; elasticidad; tenacidad; maleabilidad, ductilidad, solubilidad y conductividad. Algunas propiedades características de las sustancias puras son: el punto de ebullición, el punto de fusión y la densidad. Se llama densidad de una sustancia a la masa de cada unidad de volumen de dicha sustancia. Para calcular la densidad de un cuerpo de una determinada sustancia se divide su masa entre su volumen: m ρ = V De la fórmula de la densidad se deduce: m m = ρv y V = ρ En el sistema internacional, la unidad de densidad es el kg/m 3, aunque es frecuente encontrar las densidades expresadas en g/cm 3. Un sólido macizo flota en un líquido si la densidad del sólido es menor que la del líquido. Un sólido macizo se hunde en un líquido si la densidad del sólido es mayor que la del líquido. 22

20 ACTIVIDAD EXPERIMENTAL Determinación de la densidad en el laboratorio Objetivos Determinación de la densidad de un sólido y un líquido. Material Cuerpo sólido. Balanza. Probeta graduada. Vaso de precipitados. Un líquido. PROCEDIMIENTOS Sólidos Para determinar la densidad de un cuerpo sólido, se mide su masa con una balanza y su volumen por desplazamiento del líquido (agua) contenido en una probeta graduada. Para calcular la densidad de la llave de latón, procederemos como se indica en las figuras 1, 2 y 3: m 80 g 80 g ρ = = = = 8 g/cm 3 V 80 cm 3 70 cm 3 10 cm 3 Si el sólido es regular (esfera, cilindro, prisma ), también se puede hallar su volumen aplicando las fórmulas matemáticas explicadas en la unidad 1. Líquidos Para determinar la densidad de un líquido, se mide su masa con una balanza (debe restarse la masa del vaso vacío). El volumen se mide con una probeta graduada Masa del líquido: 240 g 180 g = 60 g m 240 g 180 g 60 g ρ = = = = 1,5 g/cm 3 V 40 cm 3 40 cm 3 ACTIVIDADES Explicá cómo se puede determinar la densidad de una pieza metálica maciza, de forma cilíndrica, sin utilizar ni la probeta graduada ni el agua. 23

21 A C T I V I D A D E S F I N A L E S 25 Observá las balanzas de la ilustración. A B C 31 En una balanza de cocina hemos realizado la pesada que muestra el dibujo. Cuál es su resultado? g a) Cuál es la masa del líquido? b) Cuál es la masa de la bola de hierro? c) Cómo podrías averiguar su volumen? Ordená de mayor a menor las siguientes masas: g 0,004 Mg 4,5 kg mg Construí un cm 3 de papel y un dm 3 de cartulina Cómo podríamos medir el volumen de una gota de agua? Con el cuentagotas, echá cuidadosamente 50 ó 60 gotas en una probeta graduada, lo más estrecha posible. Leé el volumen total en la escala de la probeta y dividalo entre el número de gotas que has echado. Expresá el resultado en milímetros cúbicos. Disponés de una caja de chinches y cada una de ellas tiene una masa menor de 1 g. Qué procedimiento seguirías para calcular, aproximadamente, la masa de una chinche usando una balanza cuyas pesas más pequeñas son de 1 g? Se pesa un líquido en un recipiente A y en otro recipiente B. A continuación se pesan juntos los dos recipientes va - cíos. En la figura podés ver los resultados obtenidos. Calculá la masa del líquido y la de cada uno de los recipientes. A B A B Al examinar un objeto hemos podido observar que: su color es amarillo, su masa es de 90 g, es largo y estrecho, si se calienta a 114 ºC de temperatura, se funde, tiene un volumen de 40 cm 3, no se disuelve en el agua, al golpearlo, se rompe fácilmente. De las anteriores observaciones, cuáles se refieren a propiedades características de la materia de la que está fabricado el objeto? Razoná la respuesta. Completá las siguientes frases: Un material es tenaz cuando... Un material es frágil... Un material es dúctil... Si dividimos una hoja de cartón en dos partes iguales, cuál o cuáles de las siguientes afirmaciones referentes a cada trozo de cartón son ciertas? Y cuáles son falsas? Razoná las respuestas. Su volumen ha quedado reducido a la mitad. Su masa ha quedado reducida a la mitad. Su densidad ha quedado reducida a la mitad. Su dureza ha quedado reducida a la mitad Nombrá dos objetos cuyos volúmenes respectivos sean, aproximadamente: a) 1 m 3 b) 1 cm 3 La arista de un cubo A es dos veces mayor que la de un cubo B. Cuántas veces es mayor el volumen de A respecto del volumen de B? Es necesario que un líquido hierva para que se convierta en gas? Ideá una experiencia sencilla para demostrar tu respuesta. El punto de fusión de la glicerina es de 17,9 ºC y el de ebullición es de 290 ºC. Cuál es el estado físico de la glicerina a 12 ºC? Y a 50 ºC? Razoná las respuestas. 24

22 39 Indicá después de hacer los cálculos necesarios, cuál de 46 estas densidades es mayor: 200 kg/m 2 o 1,5 g/cm 2 Un litro de leche tiene una masa de g. Cuál es la densidad de la leche? Expresala en g/cm 3 en kg/m La masa de un cubo de hierro es de 500 g. Cuál es la masa de un cubo de aluminio de las mismas dimensiones? Serías capaz de levantar del suelo un bloque de corcho de 50 cm 20 cm 20 cm? Consultá la tabla de densidades. 47 Se han pesado unos tornillos metálicos con el resultado indicado en la figura. A continuación se han sumergido en una probeta que contiene inicialmente 50 cm 3 de agua. Calculá la densidad de los tornillos. De qué metal pueden estar hechos? Consultá la tabla de densidades. 42 Una bola de plomo tiene un volumen de 50 cm 3 y 565 g de masa. Después de realizar los cálculos necesarios, indicá, de forma razonada, si dicha bola es hueca o maciza. Densidad del plomo = 11,3 g/cm 3 48 Un cubo de latón de 5 cm de arista tiene una masa de 1 kg. Cuál es la densidad del latón? Expresala en g/cm 3 y en kg/m 3. ml Disponemos de dos cilindros macizos, uno de 50 g hecho de cobre y otro de 70 g hecho de aluminio. Cuál de los dos ocupa mayor volumen? Consultá la tabla de den - sidades. 44 Se introducen 3 kg de mercurio en una probeta cilíndrica cuya sección mide 20 cm 2. Qué altura alcanzaran en la probeta? 81g 45 Tres bolas macizas tienen el mismo volumen. Una bola es de aluminio; otra, de hierro, y la tercera, de cobre. Cuál de ellas posee mayor masa? Consultá la tabla de densidades y razoná tu respuesta sin efectuar cálculos. 49 Qué sustancias sólidas de las que aparecen en la tabla de densidades flotan en el agua? Y en el mercurio? Hay alguna que flote en el agua, pero no en el alcohol? Razoná las respuestas. A C T I V I D A D E S D E S Í N T E S I S 1. Cuáles son los estados físicos en los que puede presentarse la materia? Poné un ejemplo de materias que se encuentren en cada uno de esos estados. 2. Los volúmenes de los objetos de la primera columna aparecen cambiados de orden en la segunda. Establece la correspondencia entre cada objeto y su volumen correcto. Armario 6 dm 3 Garbanzo 40 m 3 Caja de zapatos 1,9 m 3 Habitación 0,6 cm 3 Salero 14 cm 3 Ordenador 45 dm 3 3. A qué propiedad característica hace referencia cada uno de los siguientes párrafos? a) Una tira de goma se puede alargar mucho tirando de sus extremos pero, al soltarla, vuelve a recuperar su longitud inicial. b) El cobre empleado en los conductores eléctricos se puede estirar formando hilos finos. c) Del aluminio se pueden obtener láminas finas, como el conocido papel de aluminio. 4. En la mayoría de los casos, cuando se calienta un cuerpo, su volumen aumenta; decimos que se dilata. Si calentamos un cuerpo, qué le ocurre a su densidad? Razoná la respuesta. 5. Completá en tu cuaderno la siguiente tabla: Masa Volumen Densidad 12 g 2 cm 3 g/cm 3 18 g 4 cm 3 kg/m 3 g 10 cm 3 2 g/cm 3 g 15 dm kg/m g dm 3 11,4 g/cm g cm kg/m 3 6. Un litro de alcohol tiene una masa de 790 g. Cuál es la densidad del alcohol? Expresala en g/cm 3 y en kg/m 3. 25

23 ciencia, técnica y sociedad Los icebergs Los icebergs son enormes bloques de hielo de hasta 400 m de espesor que se desprenden de los casquetes polares o de las lenguas glaciares y caen al mar. Flotan perfectamente sobre el agua del mar porque la densidad del hielo es 915 kg/m 3 y la del agua del mar kg/m 3. En el Ártico, el casquete polar de Groenlandia origina cada año unos icebergs que se mueven con las corrientes marinas y representan un verdadero peligro para la navegación. Recordemos como ejemplo el hundimiento del Titanic en 1912 en el Atlántico Norte originado por el choque del barco con un iceberg a la deriva, con el desgraciado balance de más de un millar de muertos. Los icebergs que se originan en el casquete Antártico son de forma tabular con bordes escarpados y algunos pueden tener considerables dimensiones. En 1963, se originó uno de casi km 2 (la mitad de la superficie de la provincia de Tucumán). El transatlántico Titanic. 26

24 Arquímedes, investigador de la densidad Arquímedes nació en Siracusa en el año 287 a. C. Estudió en Alejandría, una importante ciudad egipcia del Mediterráneo oriental, en la que en el siglo III a. C. destacaban los estudios en matemáticas y física. Después volvió a Siracusa, donde enseñaba y escribía sobre álgebra, geometría y física. Durante el asedio de Siracusa por los ejércitos romanos, construyó diferentes ingenios bélicos que retardaron la conquista de la ciudad. Arquímedes es una de las grandes lumbreras de la Antigüedad. Se caracterizó por su originalidad y por un pensamiento independiente. La tradición dice que Herón, rey de Siracusa, prometió a los dioses una corona de oro por haber ganado una importante batalla. Para construirla, dio a su joyero una cierta cantidad de oro. Una vez terminada, Herón sospechó que el joyero se había quedado con una parte del oro y en su lugar había puesto plata, mucho más barata. Para salir de dudas, encargó a Arquímedes que averiguara si la corona era de oro puro sin dañarla. La masa de la corona se correspondía, efectivamente, con el oro entregado al joyero, pero Arquímedes sabía que la plata era menos densa que el oro, es decir, que ocupa más volumen para una misma masa. Un día, al entrar en el baño, vio cómo subía el nivel de agua y se derramaba fuera de la bañera. Eureka, aquí tengo la respuesta a mi problema! Sumergió la corona en agua y midió su volumen por el aumento del nivel de agua. A continuación, sumergió una masa de oro igual al de la corona; si los dos volúmenes coincidían, la corona sería de oro puro, pero si tenía plata, ocuparía un volumen más grande. Gracias a Arquímedes, el rey se dio cuenta de que la corona no era de oro puro y condenó al joyero por intentar engañar a la Corte. ACTIVIDADES 1. Convertite en un nuevo Arquímedes determinando cuál de estas coronas es de oro, cuál de plata y cuál contiene los dos metales. La corona del rey Herón masa (en g) volumen (en cm 3 )