TEMA 2.- LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES (TEORÍA) 1.- QUÉ ES LA MATERIA? La forma más apropiada de ver qué es la materia es estudiando sus propiedades: La materia presenta unas dimensiones, es decir, ocupa un lugar en el espacio. La materia tiene inercia, es decir, opone resistencia a modificar su estado de reposo o movimiento. Esta inercia es tanto mayor cuanto mayor es la cantidad de materia presente. La materia es la causa de la gravedad o gravitación, es decir, de la atracción que actúa entre objetos materiales, aunque se encuentren separados por grandes distancias, como la Tierra y el Sol. Esta gravedad es la responsable de que los objetos caigan al suelo, de que los planetas se muevan en torno al Sol, de que existan las mareas, de la formación de los planetas, las estrellas, las galaxias En definitiva, es responsable de la estructura del Universo. Podemos definir la materia como: La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen. Por tanto, para que una sustancia sea considerada materia debe tener al menos esas dos propiedades: masa y volumen. Veamos cada una de ellas. 2.- LA MASA.- La masa es la medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Su valor mide la inercia de un cuerpo, así como la acción gravitatoria que éste ejerce. Pero no hay que confundir masa y peso. El peso es la fuerza con que la Tierra (u otro cuerpo celeste) atrae un cuerpo hacia sí, mientras que la masa del cuerpo mide su inercia. Si nos vamos a la Luna, nuestro peso allí será menor (la Luna ejerce menos gravedad), pero nuestra masa seguirá siendo la misma (no adelgazamos por cambiar de astro). Para medir la masa usamos la balanza o la báscula. Podemos determinar su valor en diversas unidades: gramo, miligramo, libra La unidad del SI es el kilogramo (kg). -------------------------------------------------------------------------- Diferencia entre báscula y balanza.- Normalmente la báscula se utiliza para pesar masas grandes y voluminosas, y la balanza se usa para pesar masas más pequeñas de solo unos kilos, siendo habitual por ejemplo en laboratorios. Cuando hablamos de balanzas o básculas electrónicas, la diferencia no está claramente definida. En términos generales, las básculas se emplean para pesar masas de gran magnitud, aunque la precisión es menor. En la balanza en cambio, ocurre todo lo contrario. Es bastante frecuente que las básculas tengan una plataforma a ras de suelo, donde resulta fácil colocar la masa que se quiere pesar. En términos generales, se suele aceptar que, hasta 0 kg de capacidad, el instrumento es una balanza. Para capacidades mayores, se considera una báscula. BÁSCULA BALANZA.- EL VOLUMEN.- El volumen es la medida del espacio que ocupa un cuerpo. También podemos determinar su valor en diversas unidades:, cm, litro, mililitro La unidad del SI es el metro cúbico (m ). El litro y el mililitro son realmente unidades de capacidad. Por qué las ponemos con las unidades de volumen? En los recipientes se aprovecha su volumen para contener líquidos o gases. Decimos entonces que un volumen tiene cierta capacidad, y ésta suele expresarse en otras unidades, conocidas como unidades de capacidad. De ellas, la que sin duda te resultará más familiar es el litro (l, L). Para hacernos una idea de cuánto es un litro, normalmente un brik de leche suele ser de ese tamaño. Cuál es la relación entre las unidades de capacidad y las de volumen? 1 l = 1 I.E.S. Grande Covián Tema 2. La materia y sus propiedades 1
Para determinar el volumen de un cuerpo podemos usar diferentes métodos dependiendo del cuerpo. Líquido.- Para medir el volumen de los líquidos, en las cocinas tenemos recipientes graduados, la mayoría con forma de jarra con unas marcas indicadoras del volumen. En los laboratorios se usan otros instrumentos según la cantidad de líquido que se quiera medir y el uso que se le vaya a dar. Pueden ser aforados (tienen una marca únicamente, y por tanto, pueden medir solo un volumen) o graduados (tienen una escala que permite medir diversos volúmenes). A. Probeta.- Es un recipiente cilíndrico con pie y pico, normalmente graduado de abajo a arriba. Sirve para medir el volumen de su interior. B. Bureta.- Es un tubo fino, graduado de arriba a abajo, provisto de una llave de paso para controlar la caída del líquido desde el tubo. Sirve para A trasvasar volúmenes de líquido de un recipiente a otro. C. Pipeta.- Es un tubo fino, normalmente aforado una o dos veces, pero también los hay graduados. Sirve para transvasar volúmenes fijos no muy grandes de líquido de un recipiente a otro. D. Matraz.- Es un recipiente de fondo plano, cuerpo esférico y cuello largo, normalmente aforado. Sirve para preparar volúmenes concretos de sustancias líquidas. B C D Cuerpo sólido regular.- Podemos calcular su volumen matemáticamente: 2 4 Ortoedro V ab c Cubo V Cilindro V r h Esfera V R Cuerpo sólido irregular.- No hay ninguna fórmula matemática que pueda ayudarnos. Pero podemos utilizar un principio fundamental de la ciencia: dos materias no pueden ocupar el mismo espacio. Cuando sumergimos un objeto en un líquido, el volumen de éste asciende, como cuando te sumerges en una bañera. El volumen que introducimos, es decir, el volumen del objeto, es exactamente el volumen que ha ascendido. 4.- LA RELACIÓN ENTRE LA MASA Y EL VOLUMEN.- Fíjate en la imagen de la derecha. El cilindro de madera de la figura tiene el mismo volumen que el cilindro de hormigón; sin embargo, la balanza indica que sus masas son diferentes. Esto quiere decir que el hormigón contiene mayor cantidad de materia por unidad de volumen que la madera. De la misma manera, si cogiéramos dos cuerpos de estos materiales con la misma masa, nos daríamos cuenta de que no ocupan lo mismo. Obsérvalo en la siguiente imagen. I.E.S. Grande Covián Tema 2. La materia y sus propiedades 2
Por tanto, dos cuerpos pueden tener la misma masa y ocupar distinto volumen. Igualmente, dos cuerpos pueden ocupar el mismo espacio, pero tener distinta masa. Esto ocurre porque los materiales de que están hechos los cuerpos no son igual de compactos, es decir, contienen distinta cantidad de materia por unidad de volumen. La magnitud que indica la cantidad de materia que contiene un material por unidad de volumen se llama densidad. Según esto, podemos decir la densidad de un cuerpo es la relación entre su masa y el volumen que ocupa. Y se calcula: m d= V Por ejemplo, si un cuerpo tiene una masa de 8 g y ocupa 2 cm, su densidad vale: m = 8 g m 8 g 4 d = g/cm V = 2 cm V 2 cm Ese resultado indica que, en 1 cm del material del que esté hecho el cuerpo, hay una masa de 4 gramos. De otra manera, podríamos decir que 4 gramos del material ocupan un volumen de 1 cm. --------------------------------------------------------------- A la hora de resolver un problema, tanto de densidad como los que iremos viendo, es importante seguir una serie de pasos: 1. LECTURA COMPRENSIVA del enunciado del problema. 2. IDENTIFICAR LOS DATOS Y LA INCÓGNITA.. Poner los DATOS en el SISTEMA DE UNIDADES adecuado. 4. RESOLUCIÓN: a) PLANTEAMIENTO del problema.- Indicar qué tipo de problema es, qué ley se cumple o qué relación guardan la magnitudes de los datos y de la incógnita. b) Escribir la ECUACIÓN matemática que expresa la relación anterior. c) CÁLCULO de la incógnita.- Despejar la incógnita de la ecuación matemática, introducir los datos y operarlos. 5. Escribir la SOLUCIÓN con la UNIDAD correspondiente 5.- PROPIEDADES GENERALES Y CARACTERÍSTICAS.- Cada sustancia tiene un valor de densidad, distinto al de otra sustancia. En la tabla tienes algunos ejemplos. DENSIDAD SUSTANCIA (g/cm ) A las propiedades, como la densidad, que solo toman un valor para cada sustancia se las llama propiedades características. Estas propiedades permiten identificar las sustancias. Por ejemplo, si determina la densidad de un cuerpo y me sale que es 7,8 g/cm, puedo decir (mirando la tabla) que el cuerpo está hecho de hierro. Otros ejemplos de propiedades características son el color y la temperatura de ebullición. Por ejemplo, el agua hierve a 100 C. Por tanto, si tengo un líquido incoloro que hierve a 70 C puedo decir que no es agua. Las propiedades que pueden tomar diferentes valores para una misma sustancia se las llama propiedades generales. Por ejemplo, la masa es una propiedad general: de una sustancia, oro por ejemplo, puedo tener distintos valores de masa: 8 mg, 00 g, 4 kg Además, esos mismos valores de masa los puede tener cualquier otra sustancia como hierro, plata, etc. Por este motivo las propiedades generales no permiten averiguar de qué sustancia está hecho un cuerpo. etanol 0,81 benceno 0,90 agua 1 sangre 1,06 aluminio 2,7 hierro 7,8 cobre 8,9 plata 10,5 plomo 11, mercurio 1,6 oro 19, platino 21,4 I.E.S. Grande Covián Tema 2. La materia y sus propiedades
6.- UNIDADES DE DENSIDAD.- Hemos visto ya una unidad de densidad: gramos por centímetro cúbico (g/cm ). Como la densidad se calcula dividiendo masa y volumen, cualquier unidad de masa dividida entre cualquier unidad de volumen nos da una unidad de densidad. Por ejemplo: g/mm, /m, mg/, kg/m, g/l, mg/hl, etc. Cuál será la unidad de densidad en el SI? La unidad de masa en el SI es el kg y la de volumen, m. Por tanto, la unidad de densidad en el SI es: kg/m (kilogramo por metro cúbico). Fíjate que para determinar la unidad de densidad hemos tenido que recurrir a otras unidades. En este sentido, podemos distinguir entre unidades fundamentales (las que no necesitan recurrir a otras para ser definidas) y las unidades derivadas (se definen a partir de otras unidades). Hay solo siete unidades fundamentales (las vimos en el tema 1); en cambio, unidades derivadas podemos encontrar muchas: m 2, m, m/s, kg/m... Las unidades de densidad más habituales son g/cm y kg/m. Cómo pasamos de una unidad a otra? Para unidades complejas como las de la densidad, existe un método muy útil. 7.- CAMBIOS DE UNIDADES CON FACTORES DE CONVERSIÓN.- Este método no sólo es útil para cambios de unidades de densidad y otras que iremos estudiando en 2º ESO. En cursos sucesivos irás viendo que este método permite resolver problemas de Química de una manera rápida y económica: problemas que con otros métodos pueden ocupar media página, con éste se pueden resolver en una línea. A continuación, tienes detallados los pasos para hacer cambios de unidades con factores de conversión. Vienen explicados también con un ejemplo: pasar 27 / a g/cm. PASO 1.- Ver cuántos cambios hay que hacer. En el ejemplo, tenemos que pasar hectogramos a gramos y a cm, luego hay que hacer dos cambios: g 2 cambios cm PASO 2.- Escribir la cantidad a transformar multiplicada por tantas fracciones como cambios a realizar. En nuestro ejemplo, había que hacer dos cambios; escribimos entonces dos fracciones multiplicando a 27 /. 27 PASO.- Escribir en las fracciones las unidades a obtener colocándolas en el numerador o en el denominador en el orden que queremos obtener. En nuestro caso, queremos llegar a g/cm, es decir, queremos el gramo arriba y el centímetro cúbico abajo. 27 g cm PASO 4.- Escribir en los huecos de las fracciones las unidades a desaparecer (quedan en el orden inverso que en la cantidad de origen). 27 g cm PASO 5.- Escribir la equivalencia numérica entre las unidades en cada fracción. Lo más cómodo es asignarle uno a la unidad mayor, así en el ejemplo: 1 = 100 g y 1 = 1000 cm. Por tanto, pondremos: I.E.S. Grande Covián Tema 2. La materia y sus propiedades 4
27 100 g 1 1 1000 cm PASO 6.- Operar los números, es decir, multiplicar todos los que están en los numeradores y dividir por cada uno de los que están en los denominadores. Los unos los podemos obviar. También operamos las unidades. 27 PASO 7.- Escribir el resultado con la unidad pedida. 100 g 1 27 100 1 1000 cm 1000 100 g 1 27 100 27 2,7 1 1000 cm 1000 8.- FLOTABILIDAD.- Seguro que te has fijado que hay cuerpos que flotan en agua y otros se hunden. Por ejemplo, un objeto de madera en general flota y uno de hierro no. Además, da igual el tamaño. El cuerpo de madera puede tener una masa de 5 kg y flotar en el agua; mientras que un cuerpo de hierro, aunque sea pequeño y su masa sea de tan solo 8 gramos, se hundirá. Si la masa y el volumen no influyen en que un cuerpo flote o se hunda, qué magnitud es la que sí lo determina? Esta magnitud es la densidad, de manera que, si un cuerpo tiene una densidad mayor que la de un líquido, se hundirá en el líquido, y si la tiene menor, flotará. Lo mismo ocurre con líquidos inmiscibles (que no se mezclan), como el agua y el aceite. Al echar los dos líquidos en un recipiente, como el aceite tiene menos densidad que el agua, se quedará flotando encima del agua. La gente suele pensar que el aceite es más denso que el agua, porque confunden viscosidad con densidad. La densidad, como vimos, relaciona la masa de un cuerpo con el volumen que ocupa. En cambio, la viscosidad nos indica la dificultad para fluir que tiene un material. El agua es más densa que el aceite (por eso el agua se queda abajo), pero menos viscosa. La prueba? Si cogemos una botella de aceite, y otra de agua, iguales, y las invertimos hasta vaciarlas, observaremos que tarda más en vaciarse la de aceite. Esto es porque el aceite es más viscoso. --------------------------------------------------------- Una curiosidad con la densidad y la flotabilidad: cómo saber si un huevo es fresco y se puede comer, o es viejo y no es apto para el consumo? Llena un bol con agua y sumerge el huevo dentro. Si el huevo se queda en el fondo del recipiente en posición horizontal, significará que está todavía en condiciones para consumirlo. Si por el contrario el huevo se queda flotando en la parte superior, entonces deberás tirarlo. Ya no se puede consumir porque está caducado. Por qué ocurre esto? La cáscara de los huevos no es totalmente hermética y el gas que se forma en el proceso de descomposición del huevo la atraviesa. Por tanto, la masa disminuye y, como consecuencia, la densidad también disminuye, pasando de ser mayor que la del agua (el huevo se hunde) a ser menor que la del agua (el huevo flota). I.E.S. Grande Covián Tema 2. La materia y sus propiedades 5
Y cómo podemos hacer para que un huevo fresco flote? Si vamos echamos sal en el agua, la densidad del líquido irá aumentando. Llegará un momento en el que la densidad del líquido será mayor que la del huevo, y éste subirá y flotará. VOCABULARIO MATERIA.- Todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio, es decir, un volumen. MASA.- La cantidad de materia que posee un cuerpo. VOLUMEN.- El espacio que ocupa un cuerpo. DENSIDAD.- La relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. cuerpo DENSO.- Cuerpo con densidad alta, es decir, cuerpo con la materia más compacta que otros. PROPIEDAD GENERAL.- Propiedad que puede tomar distintos valores para una misma sustancia y no permite identificarla. PROPIEDAD CARACTERÍSTICA.- Propiedad que solo toma un valor para una sustancia y permite identificarla. UNIDAD FUNDAMENTAL.- Unidad que no necesita recurrir a otras para ser definida. UNIDAD DERIVADA.- Unidad que se define a partir de otras unidades. BALANZA, BÁSCULA.- Instrumento para medir masas. PIPETA.- Instrumento para medir volúmenes de líquido, que consta de un tubo fino, normalmente aforado una o dos veces, usado para transvasar volúmenes fijos no muy grandes de líquido de un recipiente a otro. BURETA.- Instrumento para medir volúmenes, que consta de un tubo fino, graduado de arriba a abajo, provisto de una llave de paso para controlar la caída del líquido desde el tubo, y usado para trasvasar volúmenes de líquido de un recipiente a otro. PROBETA.- Instrumento para medir volúmenes, formado por un recipiente cilíndrico con pie y pico, normalmente graduado de abajo a arriba. MATRAZ.- Instrumento para medir volúmenes concretos de sustancias líquidas, formado por un recipiente de fondo plano, cuerpo esférico y cuello largo, normalmente aforado. Instrumento AFORADO.- Instrumento que tiene una sola marca y por tanto sólo puede medir un volumen. Instrumento GRADUADO.- Instrumento que tiene una escala y puede medir varios volúmenes. FLOTABILIDAD.- Capacidad de un cuerpo para sostenerse dentro de un fluido. líquidos MISCIBLES.- Líquidos que se mezclan. líquidos INMISCIBLES.- Líquidos que no se mezclan. VISCOSIDAD.- Propiedad física que nos define la fluidez de un material. I.E.S. Grande Covián Tema 2. La materia y sus propiedades 6