La materia y sus propiedades

Transcripción

1 SECCIÓN 1.2 La materia y sus propiedades Todo lo que te rodea está formado por materia. Los libros, los escritorios, las computadoras, los árboles y los edificios están formados por materia, al igual que el agua e incluso el aire. La materia tiene dos propiedades: ocupa lugar y tiene masa. La masa es una medida de la cantidad de material que contiene un objeto o una sustancia. Para medir la masa, puedes usar una balanza. La masa de la materia siempre será mayor que cero, porque la masa es una propiedad necesaria de la materia. La segunda propiedad de la materia es que ocupa lugar. Otra manera de describir esta propiedad es decir que toda la materia tiene volumen. Un objeto, como un libro o un árbol, ocupa un lugar que puedes observar con tus propios ojos. El aire también ocupa lugar, por lo tanto, también se considera materia. Términos clave materia masa elemento átomo compuesto propiedad extensiva propiedad intensiva propiedad física cambio físico cambio de estado sólido líquido gas plasma propiedad química cambio químico reacción química reactivo producto mezcla homogéneo solución heterogéneo sustancia pura Los átomos son los componentes básicos de la materia. Toda la materia que se ha observado está formada por ciertos componentes básicos llamados elementos. Un elemento es una sustancia pura que no se puede descomponer en sustancias más simples y estables. El carbono y el oro son elementos. Un elemento siempre está formado por un solo tipo de átomo. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento que conserva la identidad química de ese elemento. Por ejemplo, se puede separar un átomo de carbono de otros átomos de carbono y combinarlo con otros tipos de átomos como los de oxígeno. Sin embargo, aún es posible identificarlo como un átomo de carbono. Un compuesto se puede descomponer en sustancias más simples y estables. Cada compuesto contiene átomos de dos o más elementos que están unidos por enlaces químicos. Por ejemplo, el agua es un compuesto formado por dos elementos. En una molécula de agua están unidos dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Una molécula es la unidad más pequeña de un compuesto o un elemento que conserva todas las propiedades de ese compuesto o elemento. BUSCA DETALLES 1. Lee las definiciones subrayadas de materia, elemento y compuesto y da un ejemplo de cada término. Átomo de oxígeno Átomo de hidrógeno Átomo de carbono Un compuesto, como la sacarosa (azúcar común), está formado por dos o más tipos de átomos. 6 CAPÍTULO 1

2 Todas las sustancias tienen propiedades características. Cada sustancia tiene propiedades características. Los químicos usan las propiedades para distinguir las diferentes sustancias. Las propiedades permiten descubrir la identidad de una sustancia desconocida. Para establecer la identidad de la sustancia desconocida, se pueden comparar varias propiedades. Los químicos también usan las propiedades para separar las diferentes sustancias de una mezcla. Por ejemplo, para separar una mezcla de virutas de hierro y aluminio, se puede usar la propiedad magnética del hierro. Un imán atrae las virutas de hierro pero no las virutas de aluminio. Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de materia presente. El volumen de un objeto es una propiedad extensiva porque cambia cuando se agrega o se quita material a ese objeto. Algunas propiedades extensivas son el volumen, la masa y la cantidad de energía de un objeto. Por el contrario, las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de materia presente. Algunas de estas propiedades son el punto de fusión, el punto de ebullición y la densidad. Las propiedades intensivas son las mismas en dos muestras de una sustancia aunque las muestras sean de distinto tamaño. REPASO DE LA LECTURA 2. Un alambre de cobre puede conducir la electricidad aunque sea muy delgado o muy grueso. La conductividad eléctrica es una propiedad extensiva o una propiedad intensiva? Propiedades físicas y cambios físicos Una propiedad física se puede observar o medir sin cambiar la identidad de la sustancia. Las propiedades físicas describen la sustancia en sí, en lugar de describir su transformación en otras sustancias. Una de las propiedades físicas de una sustancia es su punto de ebullición. El agua en estado líquido se convierte en vapor de agua cuando hierve a 100 C (373 K o 212 F). Un cambio físico es un cambio en una sustancia que no implica un cambio en su identidad. Algunos ejemplos de cambios físicos son moler, cortar, fundir y hervir. Estos tipos de cambios no cambian la identidad de la sustancia presente. El punto de ebullición del agua es una propiedad física y una propiedad intensiva. LA MATERIA Y SUS CAMBIOS 7

3 Cambios de estado Los tres estados comunes de la materia son sólido, líquido y gaseoso. Un tipo de cambio físico es un cambio de uno de esos estados a otro, como cuando el hielo se derrite y se convierte en agua. El cambio de materia de un estado a otro se denomina cambio de estado. Otro ejemplo de un cambio de estado es la congelación, que es lo opuesto de la fusión. Cuando una sustancia se congela, pasa de estado líquido a estado sólido. Cuando la materia cambia de estado, cambia el movimiento y la distancia entre las partículas de la materia, pero la materia en sí permanece igual. REPASO DE LA LECTURA 3. Por qué hervir agua en una olla es un ejemplo de cambio físico? Sólidos Un sólido tiene un volumen y una forma definidos. Por ejemplo, un pedazo de carbón conserva su tamaño y su forma, independientemente del recipiente en el que esté. Las partículas de los sólidos están muy juntas. Las partículas pueden vibrar, pero no pueden cambiar de posición. Las partículas se mantienen juntas porque se atraen unas a otras. Líquidos Un líquido tiene un volumen definido, pero una forma que puede cambiar. Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene. Por ejemplo, cuando se vierte el agua de un vaso angosto en una olla, el agua ocupa la misma cantidad de espacio en la olla. Pero el agua se extiende y adopta la forma de la olla. Las partículas de los líquidos están cerca unas de otras, pero pueden deslizarse. Como las partículas de un líquido se mueven más rápido que las partículas de un sólido, las fuerzas de atracción no pueden mantener a las partículas en su lugar. Sólido Gas Gases Un gas no tiene volumen ni forma definidos. Por ejemplo, una cantidad determinada de gas oxígeno se expande hasta llenar un recipiente de cualquier tamaño y adopta la forma del recipiente. Las partículas de los gases se mueven mucho más rápido y están más alejadas unas de otras en comparación con las partículas de los líquidos y los sólidos. Las fuerzas de atracción que existen entre las partículas de los gases no pueden mantener juntas a las partículas que se mueven rápidamente. Líquido Los círculos muestran modelos de partículas de agua como un sólido, un líquido y un gas. 8 CAPÍTULO 1

4 Un cuarto estado de la materia, el plasma, se encuentra en los focos fluorescentes y en las estrellas. Un plasma tiene alta temperatura y su materia está formada por partículas que tienen carga. Al igual que un gas, un plasma adopta la forma del recipiente que lo contiene. A diferencia de un gas, sus partículas pueden verse afectadas por las cargas eléctricas. Un relámpago está formado por partículas de aire que se han convertido en plasma. Propiedades químicas y cambios químicos Las propiedades físicas se pueden observar sin que cambie la identidad de la sustancia. Sin embargo, las propiedades químicas de una sustancia no se pueden observar sin que cambie su identidad. Una propiedad química se relaciona con la capacidad de una sustancia de experimentar cambios que la transforman en sustancias diferentes. La mayor parte del material del Sol se encuentra en forma de plasma. Un cambio químico es un cambio en el que una o más sustancias se transforman en sustancias diferentes. Las sustancias reaccionan unas con otras y forman una o más sustancias nuevas. Por lo tanto, un cambio en el que se forma por lo menos una nueva sustancia se denomina reacción química. Las propiedades químicas de una sustancia se observan fácilmente cuando la sustancia participa en una reacción química. Por ejemplo, la oxidación del hierro cuando está en contacto con el oxígeno del aire es una propiedad química. REPASO DE LA LECTURA 4. Ordena los tres estados comunes de la materia desde el estado en el que las partículas se mueven más rápidamente hasta el estado en el que las partículas se mueven más lentamente. 5. Da un ejemplo de un cambio físico y un cambio químico en los que participe el hierro. LA MATERIA Y SUS CAMBIOS 9

5 Hierro Propiedades: metal duro y gris, sólido a temperatura ambiente, fácil de moldear Cloruro de hierro (III) Propiedades: polvo de color oscuro, sólido a temperatura ambiente, tóxico y corrosivo Cloro Propiedades: gas de color amarillo verdoso a temperatura ambiente, huele como blanqueador La lana de hierro introducida en un matraz de gas cloro se prende fuego y forma cloruro de hierro(iii). Las sustancias que reaccionan en un cambio químico se denominan reactivos. Las sustancias formadas por el cambio químico se denominan productos. Una reacción química se suele representar como una ecuación similar a un enunciado matemático. Por ejemplo, la reacción química del diagrama anterior se puede describir de la siguiente manera: hierro + cloro cloruro de hierro(iii) En esta reacción, el hierro y el cloro son los reactivos y el cloruro de hierro(iii) es el producto. Las reacciones químicas forman productos cuyas propiedades pueden diferenciarse mucho de las propiedades de los reactivos. En el diagrama anterior se muestra que las propiedades del hierro y del cloro son diferentes de las propiedades del cloruro de hierro(iii). Sin embargo, las reacciones químicas no afectan la cantidad total de materia presente antes y después del cambio. La cantidad de materia, y por lo tanto la masa total, permanece igual. Razonamiento crítico 6. Comparar y contrastar Al quemar carbón, el carbono del carbón se combina con el oxígeno y forma dióxido de carbono. Compara y contrasta las propiedades del carbón y del dióxido de carbono. 10 CAPÍTULO 1

6 La energía y los cambios de la materia Todos los cambios físicos y los cambios químicos requieren energía. Esa energía puede adoptar varias formas, como el calor o la luz. La cantidad de energía permite determinar el tipo de cambio que ocurre. Por ejemplo, el calor puede causar el cambio de estado en el que el agua hierve y se convierte en vapor de agua. Pero el calor también puede hacer que el vapor de agua se descomponga en gas oxígeno y gas hidrógeno. Esa descomposición del vapor de agua es un cambio químico. Los científicos hacen un seguimiento de la energía presente antes y después de un cambio físico o químico. En cada caso, han descubierto que la cantidad total de energía presente antes del cambio también está presente después del cambio. La energía puede ser absorbida o liberada por una de las sustancias que participan en el cambio. Sin embargo, aunque parte de la energía haya cambiado de forma, la energía total del sistema permanece igual. Ese concepto se denomina ley de la conservación de la energía.! Recuerda Una ley científica es un enunciado que resume cómo funciona el mundo natural. La materia puede ser una sustancia pura o una mezcla. Cualquier muestra de materia se puede clasificar como una sustancia pura o como una mezcla. La composición de una sustancia pura es siempre la misma, y no varía de una muestra a otra. Una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Las mezclas, por el contrario, contienen más de una sustancia. Las propiedades de una mezcla pueden variar de una muestra a otra. A veces, dos muestras de la misma mezcla serán diferentes según la composición de la mezcla en cada ubicación. Por ejemplo, muestras de diferentes lugares de una barra de oro tendrán la misma composición y las mismas propiedades porque el oro es una sustancia pura. En cambio, muestras de diferentes lugares de una roca grande pueden ser completamente diferentes porque una roca suele ser una mezcla de minerales más pequeños. Dos muestras de esta mezcla de sal, arena, hierro y semillas de amapola no serán idénticas. REPASO DE LA LECTURA 7. Qué diferencia hay entre un compuesto y una mezcla? LA MATERIA Y SUS CAMBIOS 11

7 Mezclas Casi todos los objetos que te rodean, entre ellos la mayoría de las cosas que comes y bebes, e incluso el aire que respiras, son mezclas. Una mezcla es una combinación de dos o más tipos de materia, cada uno de los cuales conserva su identidad y sus propiedades. Por consiguiente, las propiedades de una mezcla son una combinación de las propiedades de sus componentes. Una mezcla es homogénea si tiene una composición uniforme. En otras palabras, una mezcla homogénea tiene el mismo aspecto en toda la mezcla. Muchas veces, resulta difícil determinar si una mezcla homogénea contiene más de una sustancia. Un ejemplo de una mezcla homogénea es el agua salada. Las mezclas homogéneas también se denominan soluciones. Una mezcla es heterogénea si no es totalmente uniforme. Por ejemplo, en una mezcla de arcilla y agua, las partículas de arcilla más pesadas se concentran cerca del fondo del recipiente. Una muestra del fondo del recipiente será diferente de una muestra de la superficie del recipiente. DATO Conocer el significado de los prefijos homo- y hetero- puede ayudarte a recordar el significado de homogéneo y heterogéneo. Homo- significa igual. Hetero- significa otro o diferente. ÚTIL CONSEJOS BUSCA DETALLES 8. Consulta el diagrama de abajo y clasifica la leche chocolatada como una mezcla homogénea, una mezcla heterogénea, un compuesto o un elemento. Materia Sí Se puede separar? No Mezclas Sustancias puras Tiene una Puede descomponerse Sí composición No Sí por medio de métodos No uniforme? químicos comunes? Mezclas homogéneas (aire, azúcar en agua, acero inoxidable) Mezclas heterogéneas (granito, madera, sangre) Compuestos (agua, cloruro de sodio, sacarosa) Elementos (oro, aluminio, oxígeno, cloro) En este esquema de clasificación se muestran las relaciones entre las mezclas, los compuestos y los elementos. 12 CAPÍTULO 1

8 Separar mezclas Por lo general, las partes de una mezcla se pueden separar. Para llevar a cabo esa separación, se pueden usar las diferencias entre las propiedades de las sustancias que forman la mezcla. Por ejemplo, si se pasan algunas mezclas por un filtro o un tamiz, se separarán los componentes. Los filtros usan la propiedad del tamaño de las partículas para separar las partes de una mezcla. Otros métodos para separar mezclas son el uso de centrífugas y el uso de la cromatografía. Cuando una centrífuga gira muy rápido, las partículas sólidas tienden a acumularse en el fondo del tubo de ensayo. Una centrífuga usa la densidad para separar las sustancias. La cromatografía en papel puede separar las mezclas de tintes o pigmentos. Las diferentes sustancias se absorben y suben a través de las fibras del papel a velocidades diferentes. Sustancias puras Aunque las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas, cualquier muestra de una sustancia pura es homogénea. Una sustancia pura tiene una composición fija y se diferencia de una mezcla de las siguientes maneras: 1. Cada muestra de una sustancia pura tiene las mismas propiedades físicas y químicas. Esas propiedades son tan específicas que se pueden usar para identificar la sustancia. Por el contrario, las propiedades de una mezcla dependen de la cantidad relativa de los componentes de la mezcla. Esas propiedades representan una combinación de las propiedades de cada componente. 2. Cada muestra de una sustancia pura tiene exactamente la misma composición que cualquier otra muestra. Por ejemplo, el agua pura siempre tiene 11.2% de hidrógeno y 88.8% de oxígeno en masa. Para separar el cromato de bario de la solución que está en el vaso de precipitados, se puede usar la filtración. REPASO DE LA LECTURA 9. Todas las mezclas también son una solución? Todas las soluciones también son una mezcla? Explica. Una centrífuga gira rápidamente y separa los componentes de una solución. 10. Una sustancia que se puede separar en dos partes con un filtro es una mezcla o una sustancia pura? Explica. LA MATERIA Y SUS CAMBIOS 13

9 Descomponer compuestos Las sustancias puras son compuestos o elementos. Un compuesto solamente se puede descomponer en dos o más compuestos o elementos más simples mediante un cambio químico. Por el contrario, una mezcla se puede separar mediante el uso de sus propiedades físicas. Las sustancias químicas de laboratorio y la pureza Las sustancias químicas de los laboratorios se tratan como si fueran sustancias puras. Sin embargo, todas las sustancias químicas son por lo menos un tanto impuras. Diferentes agencias gubernamentales tienen diferentes estándares para determinar si una sustancia química es suficientemente pura. En la tabla de abajo se enumera el grado de pureza química de varias agencias. Los estándares más estrictos figuran en la parte superior de la tabla y los estándares menos estrictos figuran en la parte inferior. Los químicos tienen que estar atentos a los tipos de impurezas presentes porque esas impurezas podrían afectar los resultados de una reacción. Las empresas que elaboran sustancias químicas deben asegurarse de cumplir los estándares de ACS, la Asociación Química de Estados Unidos. Cuando la sacarosa se calienta a una temperatura suficientemente alta, se descompone por completo en carbono y agua. Algunos grados de pureza química Reactivos de patrón primario ACS (Asociación Química de Estados Unidos: reactivos específicos) Mayor pureza USP (estándares de la Farmacopea de Estados Unidos) CP (químicamente puro; más puro que el grado técnico) NF (especificaciones del Formulario Nacional) FCC (especificaciones del Código de Sustancias Químicas Alimentarias) Técnico (sustancias químicas industriales) Razonamiento crítico 11. Identificar Observa las dos fotografías del nitrato de zinc y la lista de grados químicos. Cuál es el grado de esta sustancia química? 14 CAPÍTULO 1

10 REPASO DE LA SECCIÓN 1.2 VOCABULARIO 1. Clasifica cada una de las siguientes opciones como un cambio físico o un cambio químico. a. romper una hoja de papel: b. fundir un trozo de cera: c. quemar un tronco: REPASO 2. Cuál es la diferencia principal entre las propiedades físicas y las propiedades químicas? 3. Da un ejemplo de un cambio físico y de un cambio químico. 4. Cómo decides si una muestra de materia es un sólido, un líquido o un gas? 5. Contrasta las mezclas con las sustancias puras. Razonamiento crítico 6. ANALIZAR INFORMACIÓN Compara la composición de la sacarosa purificada de la caña de azúcar con la composición de la sacarosa purificada de la remolacha azucarera. Explica tu respuesta. LA MATERIA Y SUS CAMBIOS 15