Hace miles de millones de años, el Universo estaba reducido a un pequeño volumen con densidad y temperatura infinitas. Luego de la Gran Explosión, la materia y la energía se expandieron, formando poco a poco el Universo tal como lo conocemos.
En todo ese tiempo el hombre se ha preocupado por investigar la materia que compone el universo y el modo de emplear esos conocimientos en su provecho.
En ese afán de conocer, clasificar y transformar las sustancias fue tomando cuerpo la química, disciplina encargada del tratamiento científico de estas cuestiones.
Pero…. ¿Que es la Materia?
La manera mas aproximada de definir la materia es decir que es todo aquello que tiene masa, que ocupa un lugar en el espacio y que es perceptible, o sea, que puede impresionar directa o indirectamente nuestros sentidos.
Términos que hay que tener en cuenta:
Cuerpo
Es una porción limitada de la materia.
Peso de un cuerpo
Es la fuerza con que un cuerpo es atraído hacia el centro de la Tierra.
El peso de los cuerpos aumenta desde el Ecuador hacia los polos.
El peso de los cuerpos disminuye a medida que se alejan de la Tierra hasta llegar a anularse: zona no gravitacional.
La masa de un cuerpo es constante.
Propiedades de la materia: Se dividen en dos grandes grupos.
Propiedad extensiva: son aquellas que varían al variar la cantidad de materiaLa masa, el volumen, la longitud, la capacidad.
Propiedad intensiva: son aquellas que no varían aunque varié la cantidad de materiaEl peso específico, la dureza, el índice de refracción, el coeficiente de solubilidad.
Sustancia: Es una forma de materia cuya composición resulta definida y constante, con propiedades físicas y químicas características, en determinadas condiciones de presión y temperatura.
Propiedades de las Sustancias:
Propiedades Físicas Son aquellas que permiten identificar una sustancia por sus características físicas: Estado físico: sólido-líquido-gaseoso, peso, densidad, solubilidad, etc.
Propiedades Químicas: Son aquella que permiten identificar una sustancia por medio de fenómenos químicos Son: acción sobre otras sustancias, descomposiciones, combinaciones, etc.
Mezcla: Es la reunión de dos o más sustancias que permanecen en contacto, sin que entre ellas ocurra una reacción química. Las mezclas tienen propiedades variables.
Cuadro resumen de Materia:
- Materia
Es todo lo que posee masa, y ocupa un lugar en el espacio.
- Sistema Material
Porción de materia que se aísla para su estudio.
- Sistema Homogéneo
Es aquel sistema que en todos los puntos de su masa posee iguales propiedades físicas y químicas (mismas propiedades intensivas). No presenta solución en su continuidad ni aun con el ultramicroscopio.
- Sustancia Pura
Sistema homogéneo con propiedades intensivas constantes que resisten los procedimientos mecánicos y físicos del análisis.
- Simples
Sustancia pura que no se puede descomponer en otras. Esta formada por átomos de un mismo elemento.
- Compuesto
Sustancia pura que se puede descomponer en otras. Esta formada por átomos de diferentes elementos.
- Solución
Sistema homogéneo constituido por dos o más sustancias puras o especies químicas.
- Soluto
Sustancia en menor abundancia dentro de la solución.
- Solvente
Sustancia cuyo estado físico es el mismo que el que presenta la solución.
- Sistema Heterogéneo
Es aquel sistema que en diferentes puntos del mismo tiene distintas propiedades físicas y quimeras (distintas propiedades intensivas). Presenta solución en su continuidad (superficie de separación).
- Dispersión Grosera
Sistemas heterogéneos visibles a simple vista.
- Dispersión Fina
Sistema heterogéneo visible al microscopio (10000000 A <>
Sistemas Homogéneos y Heterogéneos
En Química de denomina sistema a una porción del Universo que se aísla para su estudio, sistemas que pueden ser homogéneos y heterogéneos.
Un sistema homogéneo es aquél que posee idénticas propiedades físicas en toda su extensión debido a que sus constituyentes, por su composición y estructura interna, se encuentran uniformemente mezclados entre sí. Por lo tanto, no se distinguen superficies de separación, fases o entrecaras entre sus constituyentes; por ejemplo: el aire, el alcohol mezclado con agua o una porción de sal disuelta en agua.
En Química de denomina sistema a una porción del Universo que se aísla para su estudio, sistemas que pueden ser homogéneos y heterogéneos.
Un sistema homogéneo es aquél que posee idénticas propiedades físicas en toda su extensión debido a que sus constituyentes, por su composición y estructura interna, se encuentran uniformemente mezclados entre sí. Por lo tanto, no se distinguen superficies de separación, fases o entrecaras entre sus constituyentes; por ejemplo: el aire, el alcohol mezclado con agua o una porción de sal disuelta en agua.
Sistema Homogeneo:
Sistema Heterogeneo:Un sistema heterogéneo es aquél que
no es uniforme por completo, ya que presenta porciones con ciertas propiedades físicas distintas, porciones limitadas por fases o entrecaras que difieren por su composición y estructura interna; por ejemplo: lodo, conjunto agua-aceite, nube de polvo, mezcla de hierro, arena, agua y hielo.La materia forma en la Naturaleza un conjunto de sistemas homogéneos y heterogéneos, por lo que para separar los componentes de una mezcla se procede según los métodos adecuados al tipo de la mezcla y la naturaleza de los componentes.
Los principales métodos que se emplean son operaciones físicas como las siguientes:
Mezclas de sólidos con sólidos. Su separación se efectúa por medio de: separación mecánica manual, aventada, tamizada o cernida, levigación o lavado, flotación, atracción magnética y sublimación.
Mezclas de sólidos con líquidos. Su separación se efectúa por medio de: sedimentación y decantación, filtración, centrifugación, coagulación, cristalización y evaporación.
Mezclas de líquidos con líquidos. Su separación se efectúa por medio de: destilación, centrifugación y embudo separador.
Mezclas de sólidos y gas. Su separación se efectúa por medio de: sedimentación espontánea, condensación de vapor de agua y precipitación electrostática.
¿Cómo podemos saber si un sistema material está formado por un único componente o por más?
La forma de poder saberlo es tratar de separar esos componentes por métodos de separación. Los métodos de separación son métodos físicos.
No entraremos en detalle en cuanto a los métodos de separación, pero los más comunes deben resultarte conocidos. Entre ellos podemos citar: filtración, decantación, tamización, disolución. Otros métodos más refinados pueden ser destilación, cristalización y cromatografía.
Si intentamos separar los componentes de un sistema y logramos una separación, podemos asegurar que dicho sistema tiene más de un componente. Si por muchos métodos posibles no logramos una separación, podemos suponer razonablemente (pero no asegurar) que ese sistema tiene un único componente. Para asegurar que existe un único componente se deben utilizar además otros métodos de análisis.
Métodos de Separación:
Métodos mecánicos
Se realizan sin que ocurra entre el sistema y el ambiente que lo rodea un intercambio apreciable de calor (energía).
Imantación
Permite separar un sistema formado por arena-hierro. El método consiste en colocar el sistema sobre un vidrio o papel y deslizar por debajo de él un imán, siempre en el mismo sentido, hasta separar el hierro.
Filtración
Por este método se separa un sólido insoluble de un líquido. Ejemplo arcilla y agua. El sólido queda retenido en el papel de filtro, el líquido pasa a través de él.Levigación
El método se emplea para separar por medio de una corriente de agua o aire, dos sólidos. Las partículas más livianas son arrastradas por la corriente. Ejemplo: para separar pepitas de oro, de arcilla se pasa una corriente de agua que arrastre la arcilla, quedando el oro.
Tamización
Sirve para separar dos sólidos de distinto tamaño de granos, valiéndose de un tamiz. Ejemplo: separación de arena y canto rodado; arena y harina
Decantación
Permite separar dos líquidos no miscibles (que no se mezclan), aprovechando su distinta densidad. Ejemplo: aceite y agua. También para separar un líquido de un sólido insoluble, como el caso de la arena y el agua.
Centrifugación
Se usa para separar una dispersión fina. Permite acelerar la decantación. Ejemplo: polvo de carbón disperso en agua
Métodos físicos
Se realizan cuando existe un intercambio de energía entre el sistema y el medio que lo rodea.
Lixiviación
Es un método donde intervienen procesos mecánicos y físicos, y mediante él se pueden separar dos sólidos, de los cuales uno de ellos es soluble en un líquido.Ejemplo: el sistema are-sal, se puede separar adicionando agua
Evaporación
Se emplea para separar un sistema sólido-líquido. Ejemplo: creta y agua
Sublimación
Se pueden separar dos sólidos, de los cuales uno volatiliza y luego sublima. Ejemplo : arena-yodo
Estados de Agregación de la materia
La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso.Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:Estado sólido:
Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas.En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido.Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas:
Estado liquido:
Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas.Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad.En los líquidos el movimiento es desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran una, se mueven al unísono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las partículas (su energía).
Estado gaseoso:
Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos.En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño.Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente, de modo que ocupan todo el espacio disponible. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas éste pasará a estado líquido.Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión:
Cambios de Estado de la Materia
Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias.Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal. En el estado sólido las partículas están ordenadas y se mueven oscilando alrededor de sus posiciones. A medida que calentamos el agua, las partículas ganan energía y se mueven más deprisa, pero conservan sus posiciones.Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión (0ºC) la velocidad de las partículas es lo suficientemente alta para que algunas de ellas puedan vencer las fuerzas de atracción del estado sólido y abandonan las posiciones fijas que ocupan. La estructura cristalina se va desmoronando poco a poco. Durante todo el proceso de fusión del hielo la temperatura se mantiene constante.
En el estado líquido las partículas están muy próximas, moviéndose con libertad y de forma desordenada. A medida que calentamos el líquido, las partículas se mueven más rápido y la temperatura aumenta. En la superficie del líquido se da el proceso de vaporización, algunas partículas tienen la suficiente energía para escapar. Si la temperatura aumenta, el número de partículas que se escapan es mayor, es decir, el líquido se evapora más rápidamente.
Cuando la temperatura del líquido alcanza el punto de ebullición, la velocidad con que se mueven las partículas es tan alta que el proceso de vaporización, además de darse en la superficie, se produce en cualquier punto del interior, formándose las típicas burbujas de vapor de agua, que suben a la superficie. En este punto la energía comunicada por la llama se invierte en lanzar a las partículas al estado gaseoso, y la temperatura del líquido no cambia (100ºC).
En el estado de vapor, las partículas de agua se mueven libremente, ocupando mucho más espacio que en estado líquido. Si calentamos el vapor de agua, la energía la absorben las partículas y ganan velocidad, por lo tanto la temperatura sube.
Actividades:1) Explique lo que entiende por materia.
2) ¿Qué diferencia hay entre cuerpo y sustancia?
3) Discuta la validez de las siguientes afirmaciones.
a) Todo cuerpo es material.
b) Cuerpos iguales están constituidos por igual clase de materia.
c) Cuerpos diferentes están constituidos por diferente clase de materia.
d) La misma clase de materia puede constituir cuerpos iguales o diferentes.
4) ¿Qué entiende por propiedades intensivas y extensivas?, ejemplifique.
5) Dé un ejemplo de un sistema heterogéneo formado por una sola sustancia pura.
6) En los siguientes sistemas heterogéneos, ¿cuántas y cuáles son las fases y cómo podría separarlas?
a) Agua, aceite y 10 bolitas de plomo.
b) Arena, arcilla, solución acuosa de cloruro de sodio y cloruro de sodio sólido.
7) Dado los siguientes sistemas materiales, indica para cada uno de ellos: tipo de sistema, cantidad de fases (si corresponde) y componentes que lo forman (si corresponde):
[ Hielo y agua líquida
[ Agua salada y aceite
[ Agua salada
[ Clavo de hierro
LA MATERIA POR DENTRO
Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia.Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración.
Breve historia del Sistema Periódico:
En 1817, Dobereiner elaboró un documento que mostraba una relación entre la masa atómica de ciertos elementos y sus propiedades. Destaca la existencia de similitudes entre elementos agrupados en tríos que él denomina “tríadas”. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. Pone en evidencia que la masa de uno de los tres elementos de la triada es intermedia entre la de los otros dos. En 1850 se contaba con unas 20 tríadas para llegar a una primera clasificación coherente.
En 1862 el francés Chancourtois pone en evidencia una cierta periodicidad entre los elementos de la tabla. En 1864 Chancourtois y el inglés Newlands anuncian la Ley de las octavas: las propiedades se repiten cada ocho elementos. Pero esta ley no puede aplicarse a los elementos más allá del Calcio. Aunque esta clasificación resulta insuficiente la tabla periódica comienza a ser diseñada.
En 1869, el alemán Meyer pone en evidencia una cierta periodicidad en el volumen atómico. Los elementos similares tienen un volumen atómico similar en relación con los otros elementos. Los metales alcalinos tienen por ejemplo un volumen atómico importante. Simultáneamente con el ruso Mendeleïev, presentan una primera versión de la tabla periódica en 1869. Esta tabla fue la primera presentación coherente de las semejanzas de los elementos. Los elementos se clasificaban según sus masas atómicas, viéndose aparecer una periodicidad en lo que concierne a ciertas propiedades de los elementos. La primera tabla contenía 63 elementos. Esta tabla fue diseñada de manera que hiciera aparecer la periodicidad de los elementos. De esta manera los elementos son clasificados verticalmente. Las agrupaciones horizontales se suceden representando los elementos de la misma “familia".
Para poder aplicar la ley que Mendeleïev creía cierta, tuvo que dejar ciertos huecos vacíos. Él estaba convencido de que un día esos lugares vacíos no lo estarían más, y los descubrimientos futuros confirmaron esta convicción. Consiguió además prever las propiedades químicas de tres de los elementos que faltaban a partir de las propiedades de los cuatro elementos vecinos. Cuando los elementos fueron descubiertos, ellos poseían las propiedades predichas.
Sin embargo aunque la clasificación de Mendeleïev marca un claro progreso, contiene ciertas anomalías debidas a errores de determinación de masa atómica de la época como la del Te y la del I, y la de algún otro par de elementos.
Los gases nobles se incorporaron más adelante, cuando fueron descubiertos, como una columna más.
Fue a principios del siglo XX cuando Henry Moseley cuando se propuso la ordenación por número atómico y cuando se supo en realidad cuántos huecos había en la tabla periódico (elementos no identificados hasta el momento).
Grupos y períodos:
El sistema periódico consta de filas (líneas horizontales) llamadas períodos y de columnas (líneas verticales) llamadas grupos.
Los elementos conocidos hasta el momento se organizan en siete períodos y dieciocho grupos. Tenemos ocho grupos largos y diez cortos. También nos encontramos con dos filas que habitualmente se colocan fuera de la tabla periódica, las denominadas 'Tierras Raras' o 'Metales de transición externa', por propiedades esos elementos deberían estar en el La y en el AC, cada una de las filas en uno de ellos; por dicho motivo, los elementos que tienen propiedades similares al lantano se denominan lantánidos (primera de las dos filas) y los otros (segunda fila de las dos) con propiedades parecidas al Actinio, actínidos.
Los grupos largos tienen nombre propio:
Metales, no metales, gases nobles
Una primera clasificación de la tabla es entre Metales, No Metales y Gases Nobles. La mayor parte de los elementos de la tabla periódica son metales.
Observa que puedes seguir una pauta muy sencilla para estudiar los no metales.
· Los no metales comienzan en el grupo de los térreos con el primero (B).
· La siguiente columna (grupo de los carbonoideos) son dos (C y Si).
· La siguiente columna (grupo nitrogenoideos) son tres (N, P y As).
· La siguiente columna (anfígenos) son cuatro (O, S, Se y Te).
· La siguiente columna (halógenos) son cinco (F, Cl., Br, I y At).
· Sólo queda el hidrógeno (H) que suele considerarse no metal.
Aprendiendo los no metales y la columna de los gases nobles, podrás saber si un elemento determinado es metal, no metal o gas noble: no metal o gas noble por haberlo estudiado, metal por exclusión. Este conocimiento resulta de importancia en la predicción del tipo de enlace entre átomos.
Tipos de elementos
1. Los metales los solemos clasificar de la siguiente forma:
o Metales reactivos. Se denomina así a los elementos de las dos primeras columnas (alcalinos y alcalinotérreos) al ser los metales más reactivos por regla general.
o Metales de transición. Son los elementos que se encuentran entre las columnas largas, tenemos los de transición interna (grupos cortos) y transición externa o tierras raras (lantánidos y actínidos).
o Otros metales. Son los que se encuentran en el resto de grupos largos. Algunos de ellos tienen propiedades de no metal en determinadas circunstancias (semimetales o metaloides).
2. Los no metales, algunos de los cuales, los que se encuentran cerca de la línea de separación metal / no metal, tienen un comportamiento metálico en determinadas circunstancias (semimetales o metaloides).
3. Gases Nobles o gases inertes.
4. Propiedades de los elementos según su tipo
1. Propiedades de los metales.
Por regla general los metales tienen las siguientes propiedades:
· Son buenos conductores de la electricidad.
· Son buenos conductores del calor.
· Son resistentes y duros.
· Son brillantes cuando se frotan o al corte.
· Son maleables, se convierten con facilidad en láminas muy finas.
· Son dúctiles, se transforman con facilidad en hilos finos.
· Se producen sonidos característicos (sonido metálico) cuando son golpeados.
· Tienen altos puntos de fusión y de ebullición.
· Poseen elevadas densidades; es decir, tienen mucha masa para su tamaño: tienen muchos átomos juntos en un pequeño volumen.
· Algunos metales tienen propiedades magnéticas: son atraídos por los imanes.
· Pueden formar aleaciones cuando se mezclan diferentes metales. Las aleaciones suman las propiedades de los metales que se combinan. Así, si un metal es ligero y frágil, mientras que el otro es pesado y resistente, la combinación de ambos podrías darnos una aleación ligera y resistente.
· Tienen tendencia a formar iones positivos.
Hay algunas excepciones a las propiedades generales enunciadas anteriormente:
· El mercurio es un metal pero es líquido a temperatura ambiente.
· El sodio es metal pero es blando (se raya con facilidad) y flota (baja densidad)
2. Propiedades de los no metales:
· Son malos conductores de la electricidad.
· Son malos conductores del calor.
· Son poco resistentes y se desgastan con facilidad.
· No reflejan la luz como los metales, no tienen el denominado brillo metálico. Su superficie no es tan lisa como en los metales.
· Son frágiles, se rompen con facilidad.
· Tienen baja densidad.
· No son atraídos por los imanes.
· Tienen tendencia a formar iones negativos.
Hay algunas excepciones a las propiedades generales enunciadas anteriormente:
· El diamante es un no metal pero presenta una gran dureza.
· El grafito es un no metal pero conduce la electricidad.
3. Semimetales o metaloides.
Se encuentran entre lo metales y los no metales (B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po). Son sólidos a temperatura ambiente y forman iones positivos con dificultad. Según las circunstancias tienen uno u otro comportamiento.
4. Hidrógeno.
Aunque lo consideremos un no metal, no tiene las características propias de ningún grupo, ni se le puede asignar una posición en el sistema periódico: puede formar iones positivos o iones negativos.
5. Gases Nobles o Gases Inertes.
La característica fundamental es que en condiciones normales son inertes, no reaccionan con ningún elemento ni forman iones.
Las partículas subatómicas son:
· Protones( carga positiva)
· Electrones( carga negativa)
· Neutrones: ( sin carga)
Se denomina con la letra A= a la Unidad de Masa Atómica.
Se denomina con la letra Z= a el Numero Atómico.
Se denomina con la letra N= a los Neutrones.
A = Z + N por lo tanto N= A - Z
Actividades:
a) ¿Cuáles son las principales partículas subatómicas? ¿Qué características tienen? (ubicación, carga, masa relativa)
b) ¿Qué indica el número másico y el número atómico de un elemento?
c) ¿Por qué la cantidad de protones de un átomo debe ser igual a la cantidad de electrones?
2) Mencione la clasificación periódica de los elementos según Dimitri Mendeleiev.
3) Mencione las principales características de los metales y de ejemplos.
4) Mencione las principales características de los no metales y de ejemplos.
5) Los gases nobles a que periodo y grupo pertenecen.
