Introducción

La materia es el término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia. Los físicos modernos, sin embargo, han demostrado que es posible transformar la materia en energía y viceversa, con lo que han acabado con la diferenciación clásica entre ambos conceptos.

Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos en última instancia por átomos, que están formados por partículas subatómicas que interactúan, y tanto en el uso cotidiano como en el científico, la «materia» generalmente incluye átomos y cualquier cosa formada por ellos, y cualquier partícula. (o combinación de partículas ) que actúan como si tuvieran masa y volumen en reposo.

Desarrollo del tema

1. Propiedades de la materia

Las propiedades físicas de la materia son el conjunto de características que permiten su estudio usando los sentidos o algún instrumento específico. Los científicos se han puesto de acuerdo en determinar que la materia posee ciertas propiedades que son:

a. Masa

En física, masa es la cantidad de materia que constituye un cuerpo determinado. Esta propiedad física no varía jamás, independiente del lugar donde se encuentre el cuerpo o de su volumen. Para medir la masa se utiliza un instrumento llamado balanza. Su valor debe ser expresado siempre en una de estas unidades: tonelada, kilogramo o gramo.

b. Peso

Esta propiedad física es la fuerza de atracción que ejerce la gravedad sobre la masa de un cuerpo. A diferencia de la masa, esta propiedad varía dependiendo en el lugar donde se encuentre el cuerpo. Por ejemplo, cualquier objeto pesará más si está situado a nivel del mar que si se encuentra en lo alto de una montaña, pero su masa seguirá siendo la misma. Más sorprendente aún es la variación del peso en la Tierra v/s la Luna, ya que en el satélite el peso disminuye considerablemente.

El peso se mide con un instrumento llamado dinamómetro y su unidad se expresa en Newton (N). El dinamómetro está formado por un resorte con un extremo libre y posee una escala graduada en unidades de peso. Para saber el peso de un objeto solo se debe colgar del extremo libre del resorte, el que se estirará; mientras más se estire, más pesado es el objeto.

c. El volumen

El volumen es otra propiedad física de la materia, es el lugar que ocupa un cuerpo en el espacio. Se simboliza con la letra V y normalmente se asocia con el tamaño del cuerpo, para medir el volumen se pueden utilizar distintos instrumentos, y las unidades en que se expresa pueden variar, dependiendo del estado en que se encuentre la materia.

d. La densidad

Es la cuarta propiedad física de la materia y se relaciona directamente con la masa y el volumen de un cuerpo. Incluso, dos cuerpos pueden tener el mismo volumen pero distinta masa. Por ejemplo, si se toma 1 ml. de agua y se mide su masa, esta es de 1 kg. Basándonos en la relación de masa y volumen, podríamos decir que la densidad es la masa de un cuerpo contenida en una unidad de volumen.

2. Estados de la materia

Las sustancias se encuentran presentes en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Así, por ejemplo, el acero es sólido; el agua, líquida; y el oxígeno, gaseoso. Pero en ciertas condiciones estos elementos pueden cambiar su estado. Si el agua es sometida a temperaturas bajo los cero grados se convertirá en hielo, y por tanto su estado variará de líquido a sólido. En el caso del acero, si se somete al calor se convertirá en líquido cuando alcanza lo que se conoce como punto de fusión, que se puede determinar según la temperatura que registra la sustancia al momento de convertirse en líquido.

Sólidos

Los sólidos poseen volumen propio y forma definida, son rígidos y no fluyen. Sólido, se refiere al estado físico de la materia en el que las muestras conservan su forma y tamaño. Los sólidos presentan una distribución regular de las partículas atómicas, iónicas o moleculares. Los sólidos se caracterizan por su resistencia a cualquier cambio de forma, resistencia que se debe a la fuerte atracción entre las moléculas que los constituyen.

Líquidos

Las propiedades de los sólidos cambian completamente cuando se convierten en líquido, ya que la red de enlaces que mantiene sus moléculas unidas se rompe y estas vagan libremente. Esto explica por qué los líquidos pueden fluir (correr) casi por cualquier parte.

Cuando un líquido se calienta, las moléculas que lo componen giran cada vez más rápido, hasta que finalmente se desprenden para convertirse en gas, proceso que se denomina evaporación.

Gases

En 1648 Jan Baptist van Helmont creó el vocablo gas, a partir del término griego kaos (desorden) para definir las características del anhídrido carbónico. Esta denominación se extendió luego a todos los cuerpos gaseosos y se utiliza para designar uno de los estados de la materia.

La principal característica de los gases respecto de los sólidos y los líquidos, es que no pueden verse ni tocarse, pero también se encuentran compuestos de átomos y moléculas.

Las mezclas

Mezcla, agregación de sustancias sin interacción química entre ellas. Las propiedades de las mezclas varían según su composición y pueden depender del método o la manera de preparación de las mismas. Pocos elementos están hechos de un solo elemento químico o compuesto. La mayoría son mezclas; es decir, una combinación de dos o más sustancias puras cuya composición es variable (plástico, aire, piedra, agua, etc.). Las mezclas pueden clasificarse en heterogéneas, que son aquellas mezclas no uniformes y con partes físicamente distintas; y las mezclas homogéneas, que son mezclas uniformes en su totalidad y suelen llamarse solución. La mezcla homogénea de metales se denomina aleación.

3. Constitución de la materia

El átomo

Es conocido como la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. A lo largo de los siglos, el tamaño y la naturaleza del átomo sólo fueron objeto de especulaciones, por lo que su conocimiento avanzó muy lentamente. Varios siglos antes de Cristo, ya se proponían diferentes explicaciones sobre la constitución de la materia.

Los átomos pueden unirse para formar moléculas , que forman la mayoría de los objetos. Los diferentes elementos (por ejemplo, oxígeno, carbono, uranio) están formados por diferentes tipos de átomos. Los átomos consisten en un núcleo extremadamente pequeño con carga positiva rodeado por una nube de electrones con carga negativa . Aunque normalmente el núcleo tiene menos de una diezmilésima parte del tamaño del átomo, el núcleo contiene más del 99,9% de la masa del átomo. Los núcleos están formados por protones cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros que se mantienen unidos por una fuerza nuclear. Esta fuerza es mucho más fuerte que la fuerza electrostática que une los electrones al núcleo, pero su alcance está limitado a distancias del orden de 1 x 10 -15 metros.

Todo átomo está formado por dos partes:

a) Núcleo atómico: corresponde a la zona central. En él se encuentra la mayor masa del átomo.
b) Corteza atómica: corresponde a la zona que rodea al núcleo. Es la parte más voluminosa del átomo.

Partículas sub-atómicas

En la corteza se ubican varias partículas muy pequeñas; son las llamadas partículas sub-atómicas. Existen 3 tipos de partículas sub-atómicas.

a) Protones. Se caracterizan porque:

• Están en el núcleo del átomo.
• Tienen carga eléctrica positiva.
• Se simbolizan P+.
• Tienen una masa significativa.

b) Neutrones. Se caracterizan porque:

• Se encuentran en el núcleo del átomo.
• No tienen carga eléctrica.
• Se simbolizan n.
• Tienen masa muy similar a la de los protones.
• Son los responsables de mantener unidos los protones en el núcleo.

c) Electrones. Se caracterizan porque:

• Se encuentran en la corteza del átomo.
• Giran alrededor del núcleo a gran velocidad
• Tienen carga eléctrica negativa.
• Se simbolizan e.
• Su masa es muy ínfima en relación a la masa de las otras sub-partículas.

3. Cambio de la materia

En la naturaleza, así como en muchos aspectos de la vida humana, todo cambia. Las hojas de los árboles, la piel de los animales, la figura humana, la composición de los cuerpos, etcétera. En el mundo natural los cambios significan nuevas posibilidades, y estas transformaciones son aprovechadas por el hombre para su propio beneficio. El ser humano estudia los cambios de la materia, la energía y los cuerpos pudiendo así intervenir él mismo en la naturaleza para sobrevivir y mejorar su existencia.

Cambio constante

Energía , capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. De acuerdo a esto, la materia puede sufrir dos tipos de cambios:

• Físicos: Son transitorios y durante ellos, las características fundamentales de la materia no se alteran.
• Químicos: Son aquellos en los cuales la materia cambia sus propiedades, ya que se altera su composición. Son cambios permanentes y dan origen a sustancias nuevas.

Factores

Los factores de los cambios físicos son fundamentalmente dos: la presión y el calor. En relación al primero, analicemos el siguiente ejemplo: cuando un karateca rompe un trozo de madera, su mano ejerce una presión sobre el objeto y éste se rompe. Sin embargo, cada uno de los pedazos que quedan siguen manteniendo las mismas propiedades de la materia originalmente usada.

El calor

En física, el calor es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Existen fuentes artificiales y naturales de calor: las artificiales son creadas por el hombre, como por ejemplo una cocina, una estufa, una chimenea, etcétera. Las fuentes naturales son aquellas en las que no ha intervenido el hombre; la gran fuente de calor natural es el Sol. Un cuerpo posee más calor que otro cuando las partículas que lo forman se agitan o mueven con mayor rapidez. Esto se logra al suministrar mayor cantidad de energía a las partículas que forman el cuerpo, lo que provoca un aumento en la temperatura del mismo. La acción del calor puede provocar cambios de estado y de volumen.

Cambios de estado

Es muy común observar que algunas materias pueden pasar de un estado a otro cuando se les aplica calor, o bien cuando lo pierden. De este modo, podemos establecer que:

Cuando la materia gana calor puede presentar los siguientes cambios de estado:

• Evaporación: es el paso de una sustancia desde el estado líquido al gaseoso. Por ejemplo, en verano, cuando se riega, el suelo se seca rápidamente. Esto se debe al calor, ya que el agua de la tierra adquiere un mayor nivel calórico y se evapora, es decir, pasa al estado gaseoso.
• Fusión: es el paso de una sustancia desde el estado sólido al líquido. En este caso, el sólido debe adquirir más calor para que sus partículas logren una mayor movilidad o agitación. Por ejemplo, cuando se guarda un chocolate en un bolsillo muy pegado al cuerpo, el chocolate se derrite.
• Sublimación progresiva: es el paso de una sustancia desde el estado sólido al gaseoso, sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo, al calentar cristales de yodo, se forman unos vapores rojizos. Es decir, los cristales pasaron a estado gaseoso.

Cuando la materia pierde calor, cambia de estado mediante los fenómenos de:

• Solidificación: es cuando un líquido pierde calor y pasa al estado sólido. Por ejemplo, cuando se pone leche con chocolate en el congelador, se forma un helado de leche chocolatada.
• Condensación: es el paso de una sustancia desde el estado gaseoso al líquido. Esto ocurre porque el gas pierde calor y, al enfriarse, la materia pasa a estado líquido. Por ejemplo, cuando se pone un plato frío sobre una olla de la que está saliendo vapor, se forman gotitas de agua en el plato.
• Sublimación regresiva: ocurre cuando una sustancia pasa directamente del estado gaseoso al sólido. Por ejemplo, cuando se producen vapores al calentarse cristales de yodo. Éstos pueden pasar al estado sólido si sobre estos vapores se pone un objeto que está muy frío, entonces, los vapores se transformarán nuevamente en cristales de yodo.

¿Cómo se propaga el calor?

Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

Conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

Convención

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad ( masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Radiación

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.

Reacción química

Reacción química, es el proceso en el que una o más sustancias —los reactivos— se transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la reacción. Toda reacción química se puede representar a través de una ecuación química, es decir, la ecuación química es la representación escrita de una reacción química.

El calor también puede causar cambios químicos, pero éstos pueden ser provocados -además- por otras formas de energía. Se caracterizan porque se altera la naturaleza de la sustancia, son irreversibles y -siempre- dan origen a nuevas sustancias.

Una nueva sustancia

Cuando decimos que tras un cambio químico se forma una nueva sustancia, hacemos referencia a que las sustancias iniciales que participan en él son diferentes a las sustancias finales que se obtienen. Las sustancias iniciales se llaman reactantes y son las que inician un cambio al reaccionar entre sí. Las sustancias finales se llaman producto y son las que se obtienen después del cambio; corresponden a sustancias nuevas.

Si se quiere representar una reacción química a través de una ecuación química, ésta se puede escribir como:

A + B (C+D)

A+B son los reactantes y C+D son los productos

Tres tipos de reacciones

Tanto en el medio ambiente natural como en forma experimental es posible observar diferentes tipos de reacciones químicas, que pueden ser de sustitución, descomposición o síntesis.

De sustitución

Las reacciones de sustitución se producen cuando, al reaccionar ciertos compuestos entre sí, un átomo es desplazado por otro y se forman, de este modo, nuevas sustancias. Por ejemplo: Metano + Oxígeno = Dióxido de Carbono + Agua

De descomposición

Son reacciones en las cuales sustancias complejas pueden llegar a formar sustancias más simples por efecto del calor. Por ejemplo: Óxido de Mercurio + Calor = Mercurio + Oxígeno

De síntesis

Estas son reacciones en las cuales participan dos o más sustancias, que forman una nueva. Por ejemplo: Cal + Anhídrido Carbónico = Carbonato de Calcio

Clasificación de los cambios químicos: dependiendo de la energía

Dependiendo de si desprenden o absorben energía, los cambios químicos se clasifican en reacciones endergónicas o exergónicas.

Reacciones endergónicas

Para que ocurran estas reacciones, es necesario que exista un aporte constante de energía. Las sustancias participantes – los reactantes – deben absorber energía para poder formar sustancias nuevas – los productos- En este caso, los productos tienen mayor cantidad de energía que las sustancias que sirvieron de reactantes. Por ejemplo: Óxido de mercurio + Calor (Mercurio + Oxígeno)

En este tipo de reacciones se puede decir que la energía utilizada es un reactante más.

Reacciones exergónicas

Son las que liberan la energía al medio ambiente. Al reaccionar, los reactantes desprenden energía, además de formarse nuevas sustancias. En este tipo de reacciones químicas, los productos que se forman tienen menos cantidad de energía química que los reactantes. Por ejemplo: Madera + Calor (Cenizas + humo + luz + anhídrido carbónico + calor + vapor de agua)

Todas las combustiones son ejemplos de reacciones exergónicas. Es necesario aclarar que muchas de estas reacciones necesitan un pequeño aporte de energía para que se pueda iniciar la reacción, y la energía liberada es mucho mayor que la adicionada al principio de la reacción.

Velocidad de reacción

La transformación de reactantes en productos requiere de un cierto tiempo. Al tiempo que se demoran los reactantes en transformarse en productos se denomina velocidad de reacción.

Considerando el tiempo, se pueden observar:

• Reacciones rápidas: son aquellas en las cuales no es posible medir el tiempo mientras ocurren, por ejemplo, una explosión.
• Reacciones lentas: son todas aquellas en que es posible medir el tiempo en que ocurren. Para ello se usa un instrumento denominado cronómetro. Por ejemplo, se puede medir el tiempo que tarda una manzana en descomponerse.

Factores de la reacción

La velocidad de reacción se puede modificar si se utilizan o manejan ciertos factores, tales como:

• Temperatura: Si una determinada reacción se realiza a una mayor temperatura, se obtendrán más rápidamente el o los productos. Esto indica que el tiempo de reacción es menor.
• Concentración de los reactantes: Mientras mayor sea la cantidad de reactantes que se utilice en una determinada reacción, mayor será la velocidad con que se forman el o los productos. Por ejemplo, si al encender un brasero se aplica aire (oxígeno) con un cartón o un secador de pelo, más rápidamente se encenderá el carbón.
• Grado de división de los reactantes: Si a una sustancia se le hace reaccionar dividida en pequeños trozos, más rápidamente ocurrirá la reacción. Por ejemplo, para hacer un puré de papas, éstas estarán cocidas antes si las cortamos en trozos pequeños, que si son cocidas enteras.

Existe otro factor que modifica la velocidad de reacción. Este corresponde a algunas sustancias que, al ser adicionadas a los reactantes, aceleran la reacción, es decir, ocurre en menor tiempo. Estas sustancias reciben el nombre de catalizadores.

4. El calor y la temperatura

El calor

Es estudiado por una una rama de la física llamada Termodinámica, se puede definir como energía producto del movimiento de las moléculas. El calor es energía pura en tránsito, ya que siempre está fluyendo de una parte a otra. Siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una más fría, aumentando la temperatura en esta última y disminuyendo la temperatura de la primera zona, siempre y cuando el volumen de los cuerpos se mantenga constante.

La temperatura

Propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico. Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.

Cuando tocamos algo, lo sentimos frío o caliente. Esto depende directamente de la temperatura del objeto y de su capacidad de conducir el calor. Al variar las temperaturas, las sustancias pueden dilatarse o contraerse, cambiar su resistencia eléctrica y si es un gas, variar su presión.

Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Para medir la temperatura se utilizan distintas escalas, entre las que contamos la Celsius o escala centígrada, la escala Fahrenheit y la escala Kelvin.

• En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0°C, y su punto de ebullición a 100°C. Esta escala se utiliza en casi todo el mundo.
• La escala Fahrenheit se utiliza en los países anglosajones. El punto de congelación del agua es de 32°F, y su punto de ebullición, 212°F.

En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el matemático y físico británico William Thomson, lord Kelvin. Finalmente, en la escala Kelvin, el cero se define como el cero absoluto de temperatura; es decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad (Kelvin), simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius.