La materia

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Propiedades generales

Masa y volumen

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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: densidad

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

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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 $\mathrm{kg/m^3}$.

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 $\mathrm{cm^3}$: $$ 0.5\thinspace\mathrm L\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{dm^3}}{1\thinspace\mathrm L}\cdot \frac{10^3\thinspace\mathrm{cm^3}}{1\thinspace\mathrm{dm^3}} = 500\thinspace\mathrm{cm^3} $$

A partir de la expresión de la densidad, podemos despejar la masa $m$: $$ d = \frac{m}{V}\rightarrow m = V\cdot d = 500\thinspace\mathrm{cm^3} \cdot 0.79\thinspace\mathrm{g/cm^3} = 395\thinspace\mathrm{g} = 0.395\thinspace\mathrm{kg} $$

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: $$ m = 390\thinspace\mathrm g \cdot \frac{1\thinspace\mathrm{kg}}{10^3\thinspace\mathrm g} = 0.390\thinspace\mathrm{kg} $$

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

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

Estados de agregación

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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 de una sustancia pura:

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

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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

Mezclas

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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 moles 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.

Cristalización

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