La materia

Propiedades, estados de agregación y mezclas

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Índice

Propiedades generales

Materia
Todo lo que tiene masa y ocupa un volumen.
Sistema material
Porción de materia confinada en una región del espacio.
Sustancia
Forma de materia que tiene una composición química y unas propiedades características determinadas.

La masa y el volumen son propiedades generales de la materia, lo que significa que no nos permiten distinguir una sustancia de otra.

Masa

Es la cantidad de materia que tiene un objeto o sistema material.

En el SI se mide en kg.

Volumen

Es el espacio que ocupa un objeto o sistema material.

En el SI se mide en $\mathrm{m^3}$, aunque también se puede medir en L ($1\thinspace\mathrm{m^3} = 10^3\thinspace\mathrm L$).

Propiedades específicas

Las propiedades específicas o características de la materia son aquellas que nos permiten distinguir una sustancia de otra.

Densidad

La densidad $d$ de un objeto se define como la relación (cociente) entre su masa $m$ y su volumen $V$: $$ d = \frac{m}{V} $$ En el SI se mide en $\mathrm{kg/m^3}$.

En esta tabla, tomada de la entrada sobre densidad en la versión inglesa de la Wikipedia, puedes ver la densidad de diversos materiales (ordenados de menor a mayor densidad).

Una probeta graduada llena de varios líquidos (de abajo a arriba: jarabe de arce, jabón lavavajillas, agua, vino, aceite vegetal y aceite de oliva) para ilustrar la densidad.
Kelvinsong / CC BY
Puedes aprender más sobre la densidad jugando con este laboratorio virtual.

Ejemplos


El etanol tiene una densidad de $0.79\thinspace\mathrm{g/cm^3}$. Calcula la masa contenida en una botella de medio litro.


Lo primero que tenemos que hacer es homogeneizar las unidades. Podemos convertir el volumen, $0.5\thinspace\mathrm L$, en $\mathrm{cm^3}$: $$ 0.5\thinspace\cancel{\mathrm L}\cdot \frac{1\thinspace\cancel{\mathrm{dm^3}}}{1\thinspace\cancel{\mathrm L}}\cdot \frac{10^3\thinspace\mathrm{cm^3}}{1\thinspace\cancel{\mathrm{dm^3}}} = 500\thinspace\mathrm{cm^3} $$ A partir de la expresión de la densidad, podemos despejar la masa $m$: $$ d = \frac{m}{V}\rightarrow m = V\cdot d = 500\thinspace\cancel{\mathrm{cm^3}} \cdot 0.79\thinspace\mathrm{g/\cancel{cm^3}} = 395\thinspace\mathrm{g} = 0.395\thinspace\mathrm{kg} $$


Calcula el volumen que ocupan $390\thinspace\mathrm g$ de una sustancia cuya densidad es de $2390\thinspace\mathrm{kg/m^3}$.


Ya que la densidad nos la dan en unidades del SI, pasamos la masa, $m=390\thinspace\mathrm g$, a kg: $$ m = 390\thinspace\cancel{\mathrm g} \cdot \frac{1\thinspace\mathrm{kg}}{10^3\thinspace\cancel{\mathrm g}} = 0.390\thinspace\mathrm{kg} $$

A partir de la expresión de la densidad, despejamos el volumen $V$:

$$ d = \frac{m}{V}\rightarrow V = \frac{m}{d} = \frac{0.390\thinspace\cancel{\mathrm{kg}}}{2390\thinspace\mathrm{\cancel{kg}/m^3}} = 1.632\times 10^{-4}\thinspace\mathrm{m^3} = 163.2\thinspace\mathrm{cm^3} $$

Estados de agregación

Los tres principales estados de agregación en los que podemos encontrar a la materia son:

Sólido

  • Volumen y forma fijos.
  • No se pueden comprimir.
  • No fluyen por sí mismos.

Líquido

  • Volumen fijo, forma variable.
  • Poco compresibles.
  • Pueden fluir.

Gaseoso

  • Volumen y forma variables.
  • Se comprimen.
  • Fluyen fácilmente.

Cambios de estado

La materia puede cambiar de estado al variar la presión o temperatura, permaneciendo su masa constante mientras que su volumen varía.

Además, durante un cambio de estado la temperatura permance constante, como se muestra en la siguiente curva de calentamiento (temperatura$-$tiempo) de una sustancia pura:

La sustancia comienza en estado sólido, calentándose hasta los 3 °C, su temperatura de fusión. Una vez se ha fundido completamente, sigue calentándose, en estado líquido, hasta los 113 °C, su temperatura de ebullición. A partir de esa temperatura la sustancia se encuentra en estado gaseoso y puede seguir calentándose indefinidamente (a partir de una cierta temperatura, la materia pasa a otro estado conocido como plasma —gas ionizado).

Las temperaturas (o puntos) de fusión y ebullición (ambas aumentan con la presión) son, al igual que la densidad, propiedades características de la materia.

Modelo cinético-molecular

Postulados

  • La materia está formada por partículas muy pequeñas, entre las que no existe nada (vacío).
  • Existen fuerzas de atracción que mantienen unidas a las partículas.
  • Las partículas están en continuo movimiento, siendo la temperatura una medida de la velocidad media a la que se mueven (a mayor temperatura mayor velocidad).

Explicación de los estados de agregación

Sólido

En un sólido la interacción entre las partículas es muy fuerte, y éstas están vibrando.

Líquido

En un líquido la interacción entre las partículas es intermedia, y éstas además de vibrar pueden rotar y moverse ligeramente.

Gas

En un gas las partículas apenas interactúan entre sí y éstas se mueven aleatoriamente en todas las direcciones.

Simulación

Puedes conocer mejor las propiedades de los estados de agregación con la siguiente simulación:

Mezclas

Al mezclarse dos o más sustancias distintas, no se obtiene una nueva sustancia, ya que las sustancias que forman la mezcla conservan sus propiedades y pueden separarse mediante procedimientos físico-químicos.

Tipos

Homogéneas

Aquellas en las que no es posible distinguir sus componentes a simple vista.

Heterogéneas

Aquellas en las que es posible distinguir sus componentes a simple vista.

Disoluciones

Son un buen ejemplo de mezclas homogéneas, cuyos componentes pueden ser tanto sólidos, líquidos o gases. En una disolución distinguimos dos componentes:

Soluto
El componente que está en menor proporción.
Disolvente
El componente que está en mayor proporción.

Concentración

Podemos expresar la concentración de una disolución de varias formas distintas, entre ellas:

g/L

Expresa el número de gramos de soluto por cada litro de disolución: $$ c\thinspace(\mathrm{g/L}) = \frac{m_\text{soluto}\thinspace (\mathrm{g})}{V_\text{disolución}\thinspace (\mathrm{L})} $$

% en masa

Expresa el número de gramos de soluto por cada $100\thinspace\mathrm g$ de disolución: $$ c\thinspace(\%\thinspace m) = \frac{m_\text{soluto}}{m_\text{soluto}+m_\text{disolución}}\times 100 $$

% en volumen

Expresa el número de litros de soluto por cada $100\thinspace\mathrm L$ de disolución: $$ c\thinspace(\%\thinspace V) = \frac{V_\text{soluto}}{V_\text{soluto}+V_\text{disolución}}\times 100 $$

Simulación

Puedes aprender más con esta simulación, donde se expresa la concentración en mol/L, es decir, cuántos moles1 de soluto hay por cada litro de disolución:

Métodos de separación

Decantación

Método físico para separar mezclas heterogéneas de líquidos y sólidos no solubles (suspendidos) o de líquidos no miscibles de diferente densidad (con un embudo de decantación).

Filtración

Método físico para separar mezclas heterogéneas de líquidos y sólidos no solubles a través de un medio poroso, llamado tamiz, criba, cedazo o filtro.

Destilación

Método físico para separar mezclas de líquidos con distinto punto de ebullición.

https://www.kisscc0.com/clipart/fractional-distillation-separation-process-distill-a2qjes/

Cristalización

Método químico para separar mezclas homogéneas, como sólidos disueltos en líquidos.


  1. El mol es la unidad de cantidad de sustancia en el SI. Se suele decir que el mol es la docena del químico, pues, al igual que una docena indica que tenemos 12 elementos, un mol indica que tenemos el número de Avogadro ($6.02214076\times 10^{23}$) de elementos (puedes aprender más sobre cómo están definidas cada una de las unidades del SI aquí). ↩︎

Rodrigo Alcaraz de la Osa
Rodrigo Alcaraz de la Osa
Doctor en Física y Profesor de Física y Química

Soy Profesor de Física y Química en el IES Ría San Martín de Cantabria (España).

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