LA MATERIA

Nuestro planeta, el Sol, las estrellas, y todo lo que el hombre ve, toca o siente, es materia; incluso, los propios hombres, las plantas y los animales.

La materia presenta formas distintas, las cuales poseen características que nos permiten distinguir unos objetos de otros. El color, el olor y la textura son propiedades de la materia que nos ayudan a diferenciarlos.

Los estados de la materia

La materia se puede encontrar en tres estados:

• Sólido, como la madera y el cobre;
• Líquido, como el agua y el aceite; y
• Gaseoso, como el aire y el vapor de agua.

Una misma materia se puede encontrar en los tres estados. Por ejemplo, el agua, que normalmente es líquida, cuando se enfría se convierte en sólido y, si se le aplica calor, se transforma en gas.

Estado sólido: un sólido es una sustancia formada por moléculas, que se encuentran muy unidas entre sí por una fuerza llamada Fuerza de Cohesión. Los sólidos son duros y difíciles de comprimir, porque las moléculas, que están muy unidas, no dejan espacio entre ellas.

Estado líquido: un líquido es una sustancia formada por moléculas que están en constante desplazamiento, y que se mueven unas sobre otras. Los líquidos son fluidos porque no tienen forma propia, sino que toman la del recipiente que los contiene.

Estado gaseoso: un gas es una sustancia formada por moléculas que se encuentran separadas entre sí. Los gases no tienen forma propia, ya que las moléculas que los forman se desplazan en varias direcciones y a gran velocidad. Por esta razón, ocupan grandes espacios.

Gas

Sustancia en uno de los tres estados diferentes de la materia ordinaria, que son el sólido, el líquido y el gaseoso. Los sólidos tienen una forma bien definida y son difíciles de comprimir. Los líquidos fluyen libremente y están limitados por superficies que forman por sí solos. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos

Estado natural

El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la materia, o sea, sólido, líquido y gas.

• Como sólido o hielo se encuentra en los glaciares y los casquetes polares, así como en las superficies de agua en invierno; también en forma de nieve, granizo y escarcha, y en las nubes formadas por cristales de hielo.
• Existe en estado líquido en las nubes de lluvia formadas por gotas de agua, y en forma de rocío en la vegetación. Además, cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre en forma de pantanos, lagos, ríos, mares y océanos.
• Como gas, o vapor de agua, existe en forma de niebla, vapor y nubes. El vapor atmosférico se mide en términos de humedad relativa, que es la relación de la cantidad de vapor de agua en el aire a una temperatura dada respecto a la máxima que puede contener a esa temperatura.
  

El agua está presente también en la porción superior del suelo, en donde se adhiere, por acción capilar, a las partículas del mismo. En este estado, se le denomina agua ligada y tiene unas características diferentes del agua libre. Por influencia de la gravedad, el agua se acumula en los intersticios de las rocas debajo de la superficie terrestre formando depósitos de agua subterránea que abastecen a pozos y manantiales, y mantienen el flujo de algunos arroyos durante los periodos de sequía.

Vapor de agua

Agua en estado gaseoso, que se emplea para generar energía y en muchos procesos industriales. Esto hace que las técnicas de generación y uso del vapor de agua sean componentes importantes de la ingeniería tecnológica.

La producción de electricidad depende en gran medida de la generación de vapor, para lo que el calor puede provenir de la combustión de carbón o gas, o de la fisión nuclear de uranio. El vapor de agua también se sigue usando mucho para la calefacción de edificios, y sirve para propulsar a la mayoría de los barcos comerciales del mundo.

Cambios de la materia

Cambio Físico: es el cambio transitorio de las sustancias que no afecta a la naturaleza de la materia, aunque cambia su forma. Un cambio físico se produce por la acción de un agente externo a la naturaleza de la materia. En el caso del agua, el agente es el calor.

Cambios del estado del agua:

• El paso del estado sólido a líquido recibe el nombre de fusión, lo que sucede por aumento de calor.
• El paso de estado líquido a gaseoso se llama evaporación, lo que sucede por aumento de calor.
• El paso del estado gaseoso a líquido se llama condensación, lo que sucede por pérdida de calor.
• El paso de líquido a sólido recibe el nombre de solidificación, lo que sucede por pérdida de calor.

La materia: Todo lo que nos rodea

¿Qué es la materia?, ¿qué cambios sufre ésta?, ¿qué provoca estos cambios? A continuación vamos a responder estas preguntas, y además a explicar términos y fenómenos que podemos observar cada día, y que tienen relación con nuestro tema de hoy.

Anímate y acompáñanos en nuestro primer contacto de este año con las Ciencias Naturales.

Una definición

Materia es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio, y tiene masa.

En nuestro planeta, la materia se encuentra en tres estado: gaseoso, líquido y sólido. Graficando esto en relación a nuestro entorno, tenemos que:

- El estado gaseoso es el de la atmósfera, que -a su vez- posee muchos gases diferentes.
- El estado líquido es el de los océanos, ríos y lagos, que conforman la masa líquida denominada hidrosfera.
- El estado sólido es la tierra, constituida por los suelos, montañas, piedras, etcétera. Esta masa sólida es llamada geosfera.

En estos tres estados de la materia existe un patrón común: en todos, la materia está formada por moléculas.

Moléculas

En un sólido, las moléculas están muy unidas, presentando una gran fuerza de cohesión; en los líquidos, se encuentran un poco más separadas y su fuerza de cohesión es menor; en los gases, están muy separadas y su fuerza de cohesión es casi nula.

Por fuerza de cohesión entendemos a la fuerza que une las moléculas.

Como ejemplos de la materia en sus diferentes estados tenemos:

-Sólidos: piedra, talco, harina, etcétera.
-Líquidos: agua, vinagre, mercurio, etcétera.
-Gases: vapor de agua, oxígeno, hidrógeno, etcétera.

Condensación

En física, proceso en el que la materia pasa a una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La condensación es el resultado de la reducción de temperatura causada por la eliminación del calor latente de evaporación; a veces se denomina condensado al líquido resultante del proceso.

La eliminación de calor reduce el volumen del vapor y hace que disminuyan la velocidad de sus moléculas y la distancia entre ellas. Según la teoría cinética del comportamiento de la materia, la pérdida de energía lleva a la transformación del gas en líquido. La condensación es importante en el proceso de destilación y en el funcionamiento de las máquinas de vapor, donde el vapor de agua utilizado se vuelve a convertir en agua en un aparato llamado condensador.

En meteorología, tanto la formación de nubes como la precipitación de rocío, lluvia y nieve son ejemplos de condensación.

En química, la condensación es una reacción que implica la unión de átomos dentro de una misma molécula o en moléculas diferentes. El proceso conduce a la eliminación de una molécula simple, por ejemplo de agua o alcohol, para formar un compuesto nuevo más complejo, frecuentemente de mayor peso molecular que cualquiera de los compuestos originales.

Evaporación

Conversión gradual de un líquido en gas sin que haya ebullición. Las moléculas de cualquier líquido se encuentran en constante movimiento. La velocidad media (o promedio) de las moléculas sólo depende de la temperatura, pero puede haber moléculas individuales que se muevan a una velocidad mucho mayor o mucho menor que la media.

A temperaturas por debajo del punto de ebullición, es posible que moléculas individuales que se aproximen a la superficie con una velocidad superior a la media tengan suficiente energía para escapar de la superficie y pasar al espacio situado por encima como moléculas de gas.

Como sólo se escapan las moléculas más rápidas, la velocidad media de las demás moléculas disminuye; dado que la temperatura, a su vez, sólo depende de la velocidad media de las moléculas, la temperatura del líquido que queda también disminuye. Es decir, la evaporación es un proceso que enfría; si se pone una gota de agua sobre la piel, se siente frío cuando se evapora.

En el caso de una gota de alcohol, que se evapora con más rapidez que el agua, la sensación de frío es todavía mayor. Si un líquido se evapora en un recipiente cerrado, el espacio situado sobre el líquido se llena rápidamente de vapor, y la evaporación se ve pronto compensada por el proceso opuesto, la condensación.

Para que la evaporación continúe produciéndose con rapidez hay que eliminar el vapor tan rápido como se forma. Por este motivo, un líquido se evapora con la máxima rapidez cuando se crea una corriente de aire sobre su superficie o cuando se extrae el vapor con una bomba de vacío.

La química actúa sobre la materia, que es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar y un espacio en el universo, y que somos capaces de identificar y conocer. La materia presenta dos tipos de propiedades: propiedades extensivas y propiedades intensivas. Las propiedades extensivas se relacionan con la estructura química externa; es decir, aquellas que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de la materia. Por ejemplo: peso, volumen, longitud, energía potencial, calor, etcétera. Las propiedades intensivas, en cambio, tienen que ver más con la estructura química interna de la materia, como la temperatura, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico o concentración (ver glosario para estos tres últimos términos), índice de refracción, entre otros aspectos. Las propiedades intensivas pueden servir para identificar y caracterizar una sustancia pura, es decir, aquella que está compuesta por un solo tipo de molécula (ver glosario), como, por ejemplo, el agua, que está formada solo por moléculas de agua (H2O), o el azúcar, que solo la conforman moléculas de sacarosa (C12H22O11). Sólido, líquido y gaseoso La materia normalmente presenta tres estados o formas: sólida, líquida o gaseosa. Sin embargo, existe un cuarto estado, denominado estado plasma, el cual corresponde a un conjunto de partículas gaseosas eléctricamente cargadas (iones), con cantidades aproximadamente iguales de iones positivos y negativos, es decir, globalmente neutro. El estado sólido se caracteriza por su resistencia a cualquier cambio de forma, lo que se debe a la fuerte atracción que hay entre las moléculas que lo constituyen; es decir, las moléculas están muy cerca unas de otras. En el estado líquido, las moléculas pueden moverse libremente unas respecto de otras, ya que están un poco alejadas entre ellas. Los líquidos, sin embargo, todavía presentan una atracción molecular suficientemente firme como para resistirse a las fuerzas que tienden a cambiar su volumen. En cambio, en el estado gaseoso, las moléculas están muy dispersas y se mueven libremente, sin ofrecer ninguna oposición a las modificaciones en su forma y muy poca a los cambios de volumen. Como resultado, un gas que no está encerrado tiende a difundirse indefinidamente, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad. La mayoría de las sustancias son sólidas a temperaturas bajas, líquidas a temperaturas medias y gaseosas a temperaturas altas; pero los estados no siempre están claramente diferenciados. Puede ocurrir que se produzca una coexistencia de fases cuando una materia está cambiando de estado; es decir, en un momento determinado se pueden apreciar dos estados al mismo tiempo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua llega a los 100ºC (en estado líquido) se evapora, es decir, alcanza el estado gaseoso; pero aquellas moléculas que todavía están bajo los 1001C, se mantienen en estado líquido. Cambios físicos y químicos de la materia Aunque al mirar a nuestro alrededor podemos apreciar distintos estados de la materia (por ejemplo, una silla es materia en estado sólido, la leche un líquido y el humo de las fábricas es gaseoso), en la naturaleza ocurren infinitos cambios a cada instante. Si tomamos, por ejemplo, un vaso con agua (estado líquido), observaremos que el agua ocupa el espacio interno del vaso. Luego, si colocamos en un recipiente el agua contenida en el vaso y la calentamos, veremos que en cierto momento comienzan a observarse burbujas en la superficie, y el agua en estado líquido pasa a ser vapor de agua (estado gaseoso). Este evento, que es común observar en nuestra vida diaria, corresponde a un cambio de estado de la materia. El agua, tanto en estado líquido como en estado gaseoso, presenta la misma composición química (H2O). Los cambios de estado de cualquier material en los que su composición química permanece invariable se denominan cambios físicos. Ahora, si tenemos agua mezclada con azúcar (agua azucarada) y la calentamos hasta evaporar toda el agua posible, en el recipiente queda el azúcar; es decir, se obtienen los materiales iniciales: agua (ahora en forma de vapor) y azúcar. Así, cuando mezclamos dos materiales y podemos separarlos por procedimientos físicos, entonces el cambio ocurrido también es un cambio físico. Otros tipos de cambios físicos pueden ser patear una pelota o romper una hoja de papel. En todos los casos podría cambiar la forma, como cuando cortas el papel, pero la sustancia se mantiene, es decir, el papel sigue estando ahí. Pero existe otro tipo de cambio que sí modifica la estructura química de uno o más materiales. Es el que se conoce como cambio químico. Este sucede cuando el material experimenta una transformación en su estructura química, como consecuencia de su interacción o relación con la estructura química de otro material, transformándose ambas estructuras. Esto da como resultado la formación de un nuevo material con características diferentes a las iniciales; es decir, ocurrió una reacción química. En el experimento de la manzana se puede apreciar un cambio químico, ya que sus constituyentes externos reaccionaron con el oxígeno del aire y se produjo un oscurecimiento por la reacción de oxidación (ver glosario) o envejecimiento. Su estructura interna cambió y ya no es posible recuperarla por medios físicos, por ejemplo, cortar la parte oxidada, ya que solo se obtendría un tejido vegetal nuevo. Las frutas, como las manzanas, pueden conservarse por refrigeración, que hace más lento el proceso de oxidación, o cubriéndolas, para que el oxígeno no actúe sobre la fruta. En el experimento, como habrás podido apreciar, el trozo de manzana cubierto con el plástico no se oscureció. Tampoco la parte de la manzana impregnada con jugo de limón se alteró. Es más, seguirá en buen estado, ya que el jugo de limón contiene vitamina C (ácido ascórbico), la cual actúa como antioxidante; es decir, evita que el oxígeno reaccione con la manzana y retarda el envejecimiento. El tercer trozo, al estar sin jugo de limón y sin plástico (es decir, al estar expuesto al oxígeno del aire) se oscureció, evidenciando una reacción de oxidación, la misma que corresponde a un cambio de estado de tipo químico. En la naturaleza, la mayoría de las alteraciones que se producen son cambios químicos, como la combustión, la pudrición, la fermentación, la digestión de los alimentos, etcétera. Sin embargo, también existen otros tipos de transformaciones químicas, como cuando se quema basura, o uno fundamental, que es la respiración, donde hay una reacción química. Así como la manzana, otras frutas experimentan las mismas modificaciones, como, por ejemplo, el plátano y la palta. Tú mismo puedes repetir el experimento usando otras frutas o verduras, haciendo comparaciones y verificando lo que sucede. Incluso puedes invitar a tus amigos para que cada uno elija una fruta o verdura y después comparen y discutan los resultados de cada uno. Así, aplicarás también el método científico (observación, problema, hipótesis y experimentación). Mezclando sustancias Ya sabes que todo lo que existe en el universo está compuesto por materia. Esta, a su vez, se clasifica en mezclas y sustancias puras. Las sustancias puras comprenden un solo compuesto, y las mezclas son combinaciones de sustancias puras en proporciones variables o diferentes; por ejemplo, una mezcla de arena y sal. Los compuestos están conformados por los elementos (como, por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno, que forman el agua), los cuales existen en los compuestos en una proporción definida, es decir, en cantidades suficientes que permiten que dichos elementos se mantengan siempre estables y que también impiden su separación por métodos físicos. Por ejemplo, si se hace reaccionar sodio (Na) con cloro (Cl2) se obtendrá Na1Cl1 exclusivamente y no sustancias tales como Na0.5Cl2.3 o mezclas raras. Las mezclas se clasifican en homogéneas (soluciones) y en heterogéneas. En una mezcla homogénea no hay distinción de fases, es decir, de una porción de la sustancia pura. Es el caso, por ejemplo, del agua con alcohol, el agua azucarada o el agua con café, donde se observa una sola fase: la líquida. Además, en este tipo de mezcla los componentes se unen hasta el nivel molecular, de manera que no es posible distinguirlos. Por ejemplo: oxígeno en agua o sal en agua. También existen las soluciones sólidas (mezcla de metales), llamadas aleaciones. En las soluciones hay dos sustancias involucradas: una que disuelve, solvente, y otra que se disuelve, el soluto. Cuando mezclamos agua (solvente) con azúcar, tenemos que cada molécula de azúcar (soluto) queda rodeada por varias moléculas de agua. Lo mismo sucede en otras soluciones. Por esta razón, una vez que han sido mezclados no podemos diferenciar a simple vista el soluto del solvente. En cambio, en una mezcla heterogénea pueden distinguirse con facilidad las diferentes fases que forman la mezcla. Por ejemplo, el agua con arena. Aquí se forman dos fases: una fase sólida, conformada por la arena, y otra fase líquida, constituida por el agua. Otros ejemplos son el agua con aceite, sal y arena, entre otros. Las mezclas pueden separarse en sus componentes por procesos físicos, mientras que los compuestos se separan en sus constituyentes por procesos químicos. En cualquier caso, la mezcla de materiales es un proceso que utilizamos a diario, tanto en la cocina (al mezclar los ingredientes de una torta) como en las industrias altamente tecnificadas (como la farmacéutica). En la naturaleza también encontramos mezclas, como la sangre, la orina y el aire. Oxígeno para la química Antonio Lavoisier Al químico francés Antonio Lavoisier (1743-1794) se atribuye el descubrimiento del oxígeno, al comprobar que el aire está compuesto por este elemento y el nitrógeno. Lavoisier, considerado uno de los fundadores de la química moderna, sostuvo que, para que se realice la respiración, no solo es necesaria la combustión de compuestos carbonados (como los azúcares), sino que se requieren otros elementos, descubriendo así que los seres vivos utilizan el oxígeno del aire para la combustión de los alimentos. También estableció la ley de la conservación de la materia y realizó importantes trabajos sobre la nomenclatura química. Fue guillotinado durante la Revolución Francesa por pertenecer a la nobleza.