MATERIA, ENERGÍA Y CAMBIOS

EL CAMBIO

Toda la materia se transforma continuamente. El cambio es una constante manifestación de la naturaleza. Los cambios que sufren las sustancias se pueden clasificar como físicos o químicos. Durante un cambio físico, las sustancias varían su apariencia física pero no su composición.

Por ejemplo: cuando el agua se evapora, cambia del estado liquido al gaseosa, pero sigue estado constituidas por moléculas de H2O. Todos los cambios de estado (por ejemplo, de liquido a gas o de liquido a solido) son cambios físicos.

En los cambios químicos también son llamadas reacciones químicas donde las sustancias se transforman en sustancias químicamente distintas. Por ejemplo: la combustión sufre un cambio químico.

Actividad:

En los siguientes hechos ocurren cambios físicos o químicos, o ambos. ¿Cuáles son de cada especie?

a) La deformación de una pastillab) El calentamiento en un hornoc) El horneado de un pastel d) La corrosión de un metale) La preparación de un caféf) La cocción de un huevog) La luxación de un huesoh) La floración de una planta i) Un golpe de la raqueta

Analiza tu entorno cercano para identificar algún tipo de cambio (físico o químico) que este ocurriendo en este momento. Anótalo

LA MATERIA

Dos de los principales métodos de clasificación de la materia pueden ser gaseosa, liquida o solida. Estas tres formas de materia se denominan estados de la materia. Los estados de la materia difieren en algunas de sus propiedades observables.

Fase Propiedades objetosSolida Ocupan un volumen fijo y

tiene forma definidaHielo,madera,metal

Liquida Ocupan volumen fijo, pero conservan la forma del recipiente

Agua, gasolina, alcohol

Gaseosa No tiene volumen fijo, ni una forma definida

Vapor, butano, aire

Toda la materia esta constituida de partículas extraordinariamente pequeñas, que reciben el nombre de moléculas. Para dar una idea de su tamaño, basta indicar que en una gota de agua hay 1 000 000 000 000 000 000 000 (mil trillones) de moléculas.

Esa gota podría subdividirse en dos, en cuatro, en ocho partes, y esa octava fracción seria una muestra d agua aun con una multitud de moléculas.

Las moléculas de un material interactúan entre si. De la magnitud esa interacción, y de la temperatura de la muestra, depende que esta se presente solida, liquida o gaseosa.

a) Cuando las moléculas están fuertemente unidas y por lo general ordenadas de manera simétrica, tenemos un solido.

b) Si las fuerzas intermoleculares son menores, la sustancia pierde rigidez: se trata de un líquido. Las moléculas del líquido se trasladan libremente, pero se encuentran cercanas unas de otras.

c) En un gas, la fuerza de atracción entre moléculas es menor y se presenta separadas y desordenadas.

Clasificación de la materia:

Se denomina fase a una porción de materia con composición y propiedades uniformes.

Una mezcla heterogénea es materia compuesta de diversas fases, cuyas propiedades locales varían en diferentes puntos de la muestra. Ejemplos: granito, espuma, lodo, emulsiona aceite-agua.

Materia

Mezcla heterogénea Mezcla homogénea

Disoluciones Sustancias puras

Compuesto Elemento

Una mezcla homogénea esta formada también por diferentes componentes, que pueden separarse de ella por métodos físicos, pero su apariencia es totalmente uniforme; se trata de una sola fase, suelen llamarse también disoluciones. La porción de los componentes de una disolución pueden variarse arbitrariamente. Ejemplos: latón, bronce, mezcla alcohol-agua, aire.

Una sustancia pura es toda la que esta formada por un único componente. Mediante métodos químicos es posible su descomposición en elementos. Toda muestra de una sustancia pura dada muestra siempre la misma composición de sus elementos. Por lo tanto, un elemento es una sustancia pura que no puede descomponerse en otra mas simple ni aun utilizando métodos químicos. Ejemplos: agua (11.19% hidrogeno y 88.8% oxigeno, en masa), sal común o cloruro de sodio (39.34% y 60.66%cloro, en masa), hierro (100%hierro).

Dentro de las sustancias puras se encuentran lo que son los elementos y compuestos. Los elementos se pueden clasificar en metaloides, no metales y metales. Los metales se caracterizan por ser buenos conductores de la corriente eléctrica y calor, son dúctiles y maleables, presentan un brillo metálico, todos son sólidos, excepto el mercurio; tienen una alta densidad pero una de sus propiedades más significativas, es que cuando se unen a otros elementos, pierden electrones formando iones positivos. Por otra parte, los no metales se caracterizan por ser malos conductores de la corriente eléctrica y el calor, con excepción del carbón grafito; por lo general son opacos y quebradizos, pueden existir en cualquier estado de agregación (sólidos, líquidos y gaseosos); una de sus propiedades significativas, es que cuando se unen a otros elementos, ganan electrones formando iones negativos. Los Metaloides tienen propiedades intermedias entre los metales y los no-metales. Por ejemplo el silicio.

Actividad:

Mezclados en un conjunto de letras están los nombres de los siguientes elementos:

Al B Cl He Li N K S Ar Be Co RdMg O Rb Sn As Br Cu I Mn Pd Se TiBa Ca F Fe Hg P Si U Be C Au PbNi Pt Na Zn

Encuéntralo en forma vertical, horizontal o diagonal

N A D I O I D A L A P O L O N O A OA S O D I O T A R R U D A N A X L IN E M I C N I Z N S O I T O R I U NT L O T L A B O C E E O A B G D M GO E Z I A E R T X N N N O R O O I AA N T R C A H E N I E I I A N S N MF I I B H I D E Q O R T L C P E I EL O O T D I O U I D F R I M O N O RU R S R A D E T U O U O R A T A N CO S O F I L I R E R Z G E G A G E U

R G O M O L P E R C A E B N S N G RO R I M E R C U R O L N I E I A I IS I L I C I O C E O D O I S O M X OO I R U C O B R N H I F R O G I O SE S T A Ñ O R U B I D I O O D U L OO M O R B I E Z A D O I S E N G A M

Casi todos los elementos pueden interactuar con otros elementos para formar compuestos, en una razón fija. Por ejemplo, el agua es un compuesto formado por hidrógeno y oxígeno en la razón de 2 a 1 (en número de átomos). Los elementos de un compuesto no se pueden dividir o separar por métodos físicos (decantación, filtración, destilación, etcétera), sino sólo mediante reacciones químicas.

Los compuestos covalentes suelen presentarse en estado líquido o gaseoso aunque también pueden ser sólidos, Por lo tanto sus puntos de fusión y ebullición no son elevados. Se da entre elementos de electronegatividades altas y muy parecidas, en estos casos ninguno de los átomos tiene más posibilidades que el otro de perder o ganar los electrones. La forma de cumplir la regla de octeto es mediante la compartición de electrones entre dos átomos. Cada par de electrones que se comparten es un enlace.

Los compuestos con enlace iónico presentan puntos de ebullición y fusión muy altos, pues para separarlos en moléculas hay que deshacer todo el edificio cristalino, el cual presenta una elevada energía reticular. Es el enlace que se da entre elementos de electronegatividades muy diferentes. Se produce una cesión de electrones del elemento menos electronegativo al mas electronegativo y se forman los respectivos iones positivos y negativos.

Este tipo de enlace suele darse entre elementos que están a un extremo y otro de la tabla periódica. O sea, el enlace se produce entre elementos muy electronegativos (no metales) y elementos poco electronegativos (metales).

Indica si los siguientes materiales corresponden a un elemento, compuesto puro o mezcla.

a) Agua de marb) Maderac) Mercuriod) Un trozo de níquele) Gasolinaf) Bicarbonato de sodiog) Vapor de agua

h) Papel

La ley de la conservación de la materia

“La materia no se crea ni se destruye”. El hecho fue observado originalmente por el científico ruso M. V. Lomosov, en 1756, y después por el francés Antonie Lavoisier, en 1783.

En particular, este principio es valido para las reacciones químicas.

La masa total de las sustancias que reaccionan es igual a la de aquellas que se producen en la reacción.

LA ENERGÍA Y CAMBIOS

El termino energía es bastante popular, pero darle una definición exacta es un serio problema. Se acostumbra decir que “la energía es todo aquello capaz de producir un trabajo”. La masa al igual que la energía no se crea ni se destruye.

En la vida cotidiana, podemos adquirir energía de múltiples formas, por ejemplo:

Cuando subimos por una escalera y aumenta nuestra energía potencial. Cuando el automóvil en que viajamos aumenta su velocidad. Cuando el organismo metaboliza los azucares que comemos y almacena su energía en los

músculos. Cuando, al asolearnos, absorbemos la luz solar, lo que con un poco de descuido puede

resultar en quemaduras en nuestra piel.

No obstante, en cualquiera de estos cuatro casos también se ha perdido energía:

La que aplicaron las piernas para subir, que al final de cuentas provino del alimento. La de la gasolina que el coche consumió al acelerar, cuya combustión fue aprovechada

para elevar los pistones y hacer girar el cigüeñal del motor, pero para calentar los gases que salen por el escape.

La que se encontraba en los enlaces químicos del azúcar, los cuales se rompieron en su combustión dentro de nuestras células.

La que abandono el sol en forma de rayos luminosos, y que provino de las reacciones nucleares que ocurren en el.

Desde el punto de vista de la mecánica, existen dos formas clásicas de energía: energía cinética y energía potencial. La primera se presenta en los cuerpos en movimiento, y la segunda, debido a la posición que ocupan en el campo gravitacional de la tierra.

Así, la energía cinética depende de la velocidad del cuerpo en cuestión. A mayor velocidad, mayor energía cinética. Por otra parte, la energía potencial gravitacional d un objeto depende de la altura a la que se encuentre con respecto a un nivel arbitrario de referencia. A mayor altura, mayor energía potencial.

Tarea: DISTINTAS FORMAS DE ENERGIA

MEZCLAS O SISTEMAS DISPERSOS: SOLUCIONES, COLOIDES Y SUSPENCIONES

Las sustancias puras que pueden encontrarse en la superficie terrestre son muy pocas. Tal vez por esto, la búsqueda y el hallazgo del oro en el pasado era todo un acontecimiento.

El hombre ha tenido que conocer las propiedades de las mezclas, que es lo que abunda, ya sea para separarlas o para producirlas con ciertas características. Muchas mezclas forman parte de nuestra vida diaria. Algunas son disoluciones como la limonada o el agua de mar, otras son sistemas coloidales como la leche o la gelatina, y otras mas son suspensiones como una atmosfera polvorienta.

Las mezclas homogéneas se conocen mas genéricamente como soluciones y disoluciones, y las demás como mezclas propiamente dichas. Existen sin embargo algunos materiales que tienen propiedades intermedias entre las mezclas heterogéneas y las mezclas homogéneas; estos sistemas s conocen como coloides o suspensiones coloidales.

Dispersiones

En una mezcla homogénea o aparentemente homogénea por lo general existe una sustancia que se presenta en mayor cantidad y otra en menor proporción que se encuentra dispersa en la primera.

Así, hablamos de una fase dispersora y una fase dispersa. Se acostumbra clasificar las dispersiones en disoluciones, coloides y suspensiones, en función del tamaño de partícula de la fase dispersa.

Disoluciones

Cuando en una mezcla homogénea las partículas de la fase dispersa tienen el tamaño de átomos o moléculas se habla de una disolución. El componente que esta en exceso se denomina disolvente. El componente o los componentes que se encuentran en menor proporción se llaman solutos.

De acuerdo con su estado de agregación, las disoluciones pueden ser solidas, liquidas o gaseosas.

Fase Fase original del soluto Ejemplos Gaseosa gaseosa aire Liquida aire húmedo Solida algunos humos finos

liquida gaseosa agua gasificada Liquida vinagre Solida agua de mar

Solida gaseosa hidrogeno adsorbido en metales Liquida amalgama de mercurio Solida aleaciones

Coloides

Los materiales coloidales son de gran importancia en diversos aspectos de la vida cotidiana e industrial. En las soluciones, se habla de soluto y solvente, pero las suspensiones de tipo coloidal hablamos de partículas dispersas o bien partículas coloidales (fase dispersa) y medio dispersión (fase dispersarte). Cuando las partículas de una mezcla homogénea tienen aproximadamente un tamaño de 10 a 10000 veces mayor que los átomos y moléculas, tenemos un sistema coloidal.

Con excepción de los gases, que siempre forman disoluciones, pues se mezclan íntimamente en todas proporciones, podemos tener sistemas coloidales con sustancias en los diversos estados de agregación.

Fase dispersor Fase dispersora Nombre común Ejemplos Gaseosa Liquida aerosol liquido nubes, “spray” Solida aerosol solido humo

liquida gas espuma merengue, jabonadura Liquida emulsión leche, mayonesa Solida sol1 gelatina, pinturas

Solida gas espuma solida malvaviscos, piedra pómez Liquida emulsión liquida queso, mantequilla Solida sol solido perlas

1 Se dividen en dos clases: liofobos (que repelen los líquidos) y soles liófilos ( que atraen líquidos).

En los sistemas coloidales el tamaño de partícula no es constante, sino que varia dentro de un amplio rango, y afinidad “fase dispersa y fase dispersarte”, puede o no existir. A diferencia de las soluciones en las que existe una extrema regularidad en el tamaño de partícula de los solutos y entre ellas, y un cierto grado de afinidad entre la naturaleza del soluto y la naturaleza del solvente.

Suspensiones

Si el tamaño promedio de las partículas de la mezcla es mayor que en el caso de los coloides, hablamos de suspensiones. Como el tamaño de la partícula es suficientemente grande para ser atraídas por la gravedad y detenidas por el papel filtro, dicha propiedad se aprovecha para separarlas por medio de la filtración. La fuerza de la gravedad domina sobre las iteraciones entre

partículas, así que las suspensiones acaban por sedimentarse y presentan 2 fases, en forma de mezcla heterogénea. Como por ejemplo podemos mencionar la tierra en suspensión en el agua, antibióticos para combatir la inflamación de la garganta, infecciones intestinales y urinarias, penicilina.

Las suspensiones presentan las siguientes características cualitativas:

Sus partículas son mayores que las de las soluciones y los coloides, lo que permite observarlas a simple vista

Sus partículas se sedimentan si la suspensión se deja en reposo Los componentes de la suspensión pueden separarse por medio de centrifugación,

decantación, filtración y evaporación

En la siguiente tabla se muestra una comparación de las propiedades de las disoluciones, los coloides y las suspensiones.

Propiedad Disolución Coloide SuspensiónTamaño de la partícula ¿que 1 nm 10-10000nm ¿que 10 000nmHomogenidad Homogénea En el limite HeterogéneaAcción de la gravedad No sedimenta Puede sedimentar SedimentaFiltrabilidad No filtrable No filtrable FiltrableEjemplos sanguíneos Sal urea Albumina, fibrinógeno Células rojas y blancas

Actividad:

Prepare el siguiente aderezo

Un vaso de yogurt de fresa o de manzana Tres cucharadas soperas de media crema Una cucharada de azúcar Dos cucharadas de nuez picada Fruta picada Un vaso Un plato desechable grande y tenedor

Preparación:

Mezcle en un tazón todos los ingredientes Sirvan sobre la fruta picada Indiquen en su cuaderno que tipo de mezcla se forma al elaborar el aderezo Expliquen que ingredientes forman la fase dispersa.

TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR

Durante muchos años la humanidad observo las enormes diferencias entre los estados de agregación, e intento explicar la condensación y la vaporización, la solidificación y la fusión, la solubilidad de las sustancias, las propiedades de las disoluciones y los demás tipos de mezclas. Fue necesario el advenimiento del modelo cinético-molecular, en l siglo XIX, para que pudiera explicar los hechos.

La ecuación del gas ideal (PV=nRT) describe cómo se comportan los gases, pero no explica porque se comportan como lo hacen. Para entender las propiedades físicas de los gases, necesitamos un modelo que nos ayude a visualizar lo que sucede con las partículas del gas cuando cambian las condiciones experimentales, como la presión o cambio de temperatura. Un modelo así, como la teoría cinética-molecular, el cual después de muchos años de estudio por diversos científicos, desde Bernoulli (1738), pasando por Clausius (1857), hasta Maxwell (1860) y Boltzmann (1868).

La teoría cinética- molecular o teoría de las moléculas en movimiento se resume como sigue:

1.- Los gases consisten en grandes cantidades de moléculas que están en continuo movimiento aleatorio.

2.- El volumen de todas las moléculas del gas es insignificante en comparación con el volumen total en el que esta contenido el gas.

3.-Las fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas del gas son insignificantes.

4.-Se pueden transferir energía entre las moléculas durante los choques, pero la energía promedio de las moléculas no cambian con el tiempo, en tanto la temperatura del gas permanezca constante. Dicho de otro modo, los choques son perfectamente elásticos.

5.- La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura absoluta ( el valor de la temperatura medida con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto.) A

cualquier temperatura dada, las moléculas de todos los gases tienen las mismas energías cinéticas promedio.

La energía cinética-molecular nos permite entender tanto la presión como la temperatura en un nivel molecular. La presión de un gas se debe a los choques de las moléculas contra las paredes del recipiente. La magnitud de la presión depende tanto de la frecuencia como de la fuerza con que las moléculas chocan con las paredes.

La temperatura absoluta de un gas es una medida de la energía cinética promedio de sus moléculas. Por lo tanto, el movimiento molecular de los gases aumenta al aumentar la temperatura.

Aunque las moléculas de una muestra de gas tienen una energía cinética promedio y por ende una velocidad promedio, las moléculas individuales se mueven con muy diversas velocidades.

La energía cinética de una partícula en movimiento, tanto si se trata de una molécula o de un

agregado de moléculas, esta dada por la expresión: ∈=12.m. v2

Donde:

∈=energia cinetica enrgsm=masa en gramos

V=velocidad en cm/s

La energía cinética (∈ ¿de todas las moléculas es la misma a cualquier temperatura dada. Esto significa que a una temperatura fija las moléculas ligeras, como las de H, deben moverse a una velocidad mayor que las de las moléculas mas pesadas, como las de oxigeno, con el fin de compensar la diferencia de masa. La presión ejercida por las moléculas gaseosas: los gases están formados por moléculas que vibran en todas direcciones dentro del recipiente. La presión de los gases es el resultado de los impactos de las moléculas sobre las paredes del recipiente que los contienen.La presión se define como la fuerza que actúa sobre una unidad de área de la superficie y se puede expresar en cualquiera de varias unidades convencionales.

LEYES DE LOS GASES

El conjunto de las propiedades de los gases, particularmente la variación de la presión con el volumen y la temperatura, se conocen como leyes de los gases. Boyle en 1662 cuando investigo el efecto de la presión sobre el volumen. Un siglo y medio mas tarde, un nuevo pasatiempo, el viaje en globo caliente, inspiro a dos científicos franceses, charles y Gay- Lussac, en la formulación de leyes adicionales de los gases. Charles y Gay-Lussac midieron como la temperatura de un gas afecta su presión, volumen y densidad.

Estas leyes son validas para los llamados gases ideales. Se dice que los gases a baja presión y alta temperatura se comportan idealmente. Cuando estas condiciones no se satisfacen, los gases se desvían del comportamiento ideal.

LEY DE BOYLE Boyle en 1660 tomo un tubo largo de vidrio curvado en forma de J con la rama corta de la J sellada. Luego vertió Hg en el tubo, reteniendo aire en la rama corta de la J. Cuando más Hg agregaba, más se comprimía el aire. Boyle concluyo que el volumen de una cantidad determinada de gas (aire en este caso) disminuye cuando la presión aumenta, es decir, encontró una relación inversa entre la presión y el volumen de un gas cuando su temperatura se mantiene constante.

v∝ 1p

LEY DE CHARLES

En 1787 el físico francés charles estudio la relación entre el volumen y la temperatura de los gases. Charles encontró que cuando una mas fija de gas se enfría a presión constante, su volumen disminuye. Cuando el gas se calienta, su volumen aumenta: expresa la relación que hay entre dos variables, temperatura y volumen, para una masa dada de gas, permaneciendo constante la presión. Debe permanecer constante la presión para el cambio de volumen que se observa se pueda atribuir solo al cambio de temperatura. La relación la expresa la ley de charles; a presión constante, el volumen de una masa de gas varia directamente con la temperatura absoluta. Esto es.

v∝T

LEY DE GAY-LUSSAC

Expresa la relación que existe entre las dos variables, presión y temperatura, para una masa dada de gas a volumen constante. La ecuación se expresa en la ley de Gay-Lussac: a volumen constante, la presión ejercida por una masa dada de gas varia directamente con la temperatura absoluta. Esto es:

p∝T

Relación entre las variables presión, temperatura y volumen para las sustancias en el estado gaseoso: a) Ley de Boyle, b) Ley de Charles, c) Ley Gay- Lussac.

V

a) b)

P c) T

CAMBIOS DE ESTADO

Son transformaciones en que la materia pasa de un estado a otro. El estado de agregación en que este una determinada sustancia depende de la temperatura y presión a que este sometida. De modo que numerosas sustancias pueden existir en cualquiera de los tres estados de agregación de la materia: solido, liquido, gaseoso. En efecto, elevando convenientemente la temperatura, las sustancias que normalmente están en estado solido pueden ser fundidas, es decir, convertidas en líquido. Si continuamos aumentando la temperatura, este liquido a su vez, entra en ebullición y se convierte en vapor, es decir, para al estado gaseoso, donde esta puede ser condensada, es decir, convertida en liquido, e incluso llegar a solidificarse. Para ello basta disminuir la temperatura. En algunos casos se requiere además, aumentar la presión.

Los cambios de estado son cambios físicos ya que la sustancia varía su apariencia física más no su composición.

Ejemplo:

Fusión: nieve

Sublimación: nieve carbónica o hielo seco.

Solidificación: congelación del agua de un metal fundido.

Vaporización: evaporación del agua

Condensación: formación de roció de CO2

Sublimación inversa: formación de escarcha y nieve.