Materia 1

La materia es todo aquello que posee masa y ocupa un lugar en el espacio. Dicho de otra manera: si puedes medir su masa y su volumen, es materia.

Son ejemplos de materia:

• el agua de los ríos y mares,
• el aire que respiras,
• una roca,
• un alambre de cobre,
• los seres vivos.

No son materia:

• la luz,
• el sonido,
• el calor,
• las ondas de radio.

Estos últimos son formas de energía, no de materia, porque no tienen masa ni ocupan un volumen.

La materia está en constante transformación y movimiento. Incluso en un trozo de hierro aparentemente inmóvil, sus partículas internas están vibrando. Macroscópicamente, la materia puede cambiar de color, de forma, de estado, de composición, etc.

Propiedades generales de la materia

Las propiedades generales son aquellas que presenta toda la materia, sin excepción. Las más importantes son:

Estas propiedades no sirven para diferenciar una sustancia de otra, porque todas las sustancias las poseen. Para diferenciar, usamos las propiedades particulares, que veremos más adelante.

El criterio más usado en química para clasificar la materia es su composición química. Según este criterio, la materia se divide en dos grandes grupos:

$$\text{Materia} \begin{cases} \text{Sustancia pura} & \begin{cases} \text{Elemento} \\ \text{Compuesto} \end{cases} \\ \text{Mezcla} & \begin{cases} \text{Homogénea} \\ \text{Heterogénea} \end{cases} \end{cases}$$

Este es el esquema que debes memorizar y, sobre todo, saber aplicar. Una pregunta típica te presenta varios materiales y te pide clasificarlos como elemento, compuesto, mezcla homogénea o mezcla heterogénea.

2.1 Sustancia pura

Una sustancia pura (o simplemente sustancia) es una forma de materia de composición química fija y definida. Está constituida por una misma clase de unidades estructurales: átomos, moléculas o iones.

Las sustancias puras se representan mediante un símbolo químico (si son elementos) o una fórmula química (si son compuestos). Tienen propiedades definidas y constantes, como densidad, punto de fusión, punto de ebullición, color, etc.

Elemento

Un elemento químico es una sustancia pura formada por átomos de una misma clase. No puede descomponerse en sustancias más simples por métodos físicos ni químicos ordinarios.

Se representa mediante un símbolo químico, como $\text{Cu}$ para el cobre, $\text{Fe}$ para el hierro, $\text{O}$ para el oxígeno o $\text{Au}$ para el oro.

Los elementos pueden presentarse como:

• Monoatómicos: formados por átomos individuales. Ejemplos: helio ($\text{He}$), neón ($\text{Ne}$), cobre ($\text{Cu}$), hierro ($\text{Fe}$).
• Poliatómicos: formados por moléculas de dos o más átomos del mismo elemento. Ejemplos: oxígeno común ($\text{O}_2$), ozono ($\text{O}_3$), hidrógeno ($\text{H}_2$), nitrógeno ($\text{N}_2$), fósforo blanco ($\text{P}_4$), azufre ($\text{S}_8$).

Es muy importante entender que $\text{O}_2$ y $\text{O}_3$ no son compuestos, sino dos formas alotrópicas del elemento oxígeno. Un compuesto requiere átomos de diferentes elementos.

Alotropía

La alotropía es la propiedad de algunos elementos de presentarse en dos o más variedades estructurales diferentes, llamadas alótropos, en un mismo estado físico. Los alótropos tienen propiedades distintas porque sus átomos se organizan de manera diferente.

Ejemplos notables:

El grafito es negro, blando y conduce la electricidad; el diamante es transparente, muy duro y no conduce la electricidad. Ambos son carbono puro.

Compuesto

Un compuesto químico es una sustancia pura formada por átomos de dos o más elementos diferentes, unidos químicamente en una proporción constante y definida.

Se representa mediante una fórmula química. Por ejemplo:

• Agua: $\text{H}_2\text{O}$
• Dióxido de carbono: $\text{CO}_2$
• Cloruro de sodio: $\text{NaCl}$
• Sacarosa (azúcar común): $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$

Todo compuesto puede descomponerse por métodos químicos en sus elementos constituyentes. Por ejemplo, el agua se descompone por electrólisis en hidrógeno y oxígeno:

$$2\text{H}_2\text{O}(l) \xrightarrow{\text{corriente eléctrica}} 2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g)$$

Según la cantidad de elementos que forman un compuesto, este puede ser:

• Binario: formado por dos elementos. Ejemplos: $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NaCl}$, $\text{CO}_2$.
• Ternario: formado por tres elementos. Ejemplos: $\text{HNO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$.
• Cuaternario: formado por cuatro elementos. Ejemplo: $\text{NaHCO}_3$.

Según la cantidad total de átomos en la unidad estructural (atomicidad), puede ser:

• Triatómico: $\text{H}_2\text{O}$ (3 átomos)
• Tetratómico: $\text{NH}_3$ (4 átomos)
• Pentatómico: $\text{HNO}_3$ (5 átomos)
• Hexatómico: $\text{NaHCO}_3$ (6 átomos)

Un compuesto químico de gran importancia biológica es la vitamina D. Químicamente, es un derivado del ciclopentaperhidrofenantreno. Su síntesis en el organismo comienza en la piel por acción de la radiación solar; luego sufre una primera hidroxilación en el hígado y una segunda hidroxilación en el riñón, formándose la forma activa.

2.2 Mezcla

Una mezcla es la unión física de dos o más sustancias puras. A diferencia de las sustancias puras, las mezclas:

• no tienen composición fija ni definida,
• cada componente conserva su identidad y sus propiedades,
• se pueden separar por métodos físicos (filtración, decantación, destilación, etc.).

Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Mezcla homogénea

Una mezcla homogénea es aquella que presenta una sola fase: su composición y sus propiedades son uniformes en toda la muestra. Se le llama también solución.

Ejemplos:

• el aire limpio,
• el agua potable,
• el alcohol medicinal (etanol + agua),
• la gasolina,
• el acero (mezcla sólida de hierro y carbono),
• el bronce (cobre + estaño),
• el latón (cobre + zinc).

Las soluciones pueden ser:

Una aleación es una mezcla homogénea sólida de dos o más metales, o de un metal con un no metal.

Mezcla heterogénea

Una mezcla heterogénea es aquella que presenta dos o más fases; sus propiedades no son uniformes. Sus componentes pueden distinguirse a simple vista o con ayuda de un microscopio.

Ejemplos:

• agua y aceite,
• lodo (agua + tierra),
• ensalada de frutas,
• concreto,
• una mena (mineral valioso + ganga).

Una fase es una porción homogénea y uniforme de la materia, separada de otras por límites físicos. Por ejemplo, una mezcla de agua y aceite tiene dos fases líquidas; una mezcla de arena y agua tiene dos fases: una sólida y una líquida.

2.3 El aire como mezcla homogénea

Uno de los ejemplos más preguntados es el aire. El aire no es una sustancia pura ni un compuesto, sino una mezcla homogénea gaseosa. Está formado principalmente por nitrógeno ($\text{N}_2$), oxígeno ($\text{O}_2$), argón ($\text{Ar}$), dióxido de carbono ($\text{CO}_2$), vapor de agua y otros gases. Como sus componentes no se pueden distinguir a simple vista y su composición es variable, se clasifica como solución gaseosa.

Las propiedades son las características que nos permiten describir, identificar y diferenciar las sustancias. Se clasifican de varias maneras:

3.1 Propiedades generales y particulares

• Generales: son comunes a toda la materia; no sirven para diferenciar una sustancia de otra. Ejemplos: masa, volumen, peso, inercia, impenetrabilidad.
• Particulares: son características específicas de cada sustancia; permiten diferenciarla. Ejemplos: densidad, color, dureza, punto de fusión, reactividad.

3.2 Propiedades extensivas e intensivas

Esta clasificación se basa en si la propiedad depende o no de la cantidad de materia.

La densidad es una propiedad intensiva: no importa si tomas 1 mL o 1 L de agua; su densidad seguirá siendo $1\ \text{g/mL}$.

3.3 Propiedades físicas y químicas

• Propiedades físicas: se observan o miden sin que la sustancia altere su identidad química. Ejemplos: color, olor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, dureza, maleabilidad, ductilidad, conductividad eléctrica, solubilidad.
• Propiedades químicas: se observan o miden cuando la sustancia se transforma en otra diferente. Ejemplos: inflamabilidad, corrosividad, toxicidad, acidez, capacidad de oxidarse.

Por ejemplo, el sodio es un sólido blanco plateado, blando, con densidad $0.986\ \text{g/cm}^3$. Esas son propiedades físicas. El hecho de que reaccione violentamente con el agua formando hidróxido de sodio es una propiedad química.

3.4 Densidad

La densidad ($\rho$) es una propiedad física particular e intensiva que relaciona la masa de una muestra con su volumen:

$$\rho = \frac{m}{V}$$

Donde:

• $m$ es la masa de la muestra,
• $V$ es el volumen que ocupa.

Las unidades más usadas son:

$$\text{g/mL}, \quad \text{g/cm}^3, \quad \text{kg/m}^3$$

La densidad se usa para identificar sustancias y para calcular masas o volúmenes. Por ejemplo, la densidad del agua líquida es $1\ \text{g/mL}$ o $1000\ \text{kg/m}^3$.

Conversión de unidades de densidad

Es muy frecuente tener que convertir $\text{g/mL}$ a $\text{kg/m}^3$ o viceversa. La equivalencia fundamental es:

$$1\ \text{g/cm}^3 = 1\ \text{g/mL} = 1000\ \text{kg/m}^3$$

Medición de la densidad por desplazamiento de agua

Cuando un sólido no tiene forma geométrica regular, su volumen se puede medir sumergiéndolo en agua y observando cuánto sube el nivel del líquido. El volumen del sólido es igual al aumento de volumen del agua.

3.5 Temperatura y calor

La temperatura es una propiedad intensiva que mide el grado de agitación térmica de las partículas de un cuerpo. Las escalas más usadas son Celsius ($^\circ\text{C}$), Fahrenheit ($^\circ\text{F}$) y Kelvin ($\text{K}$).

Conversiones:

$$T(^\circ\text{F}) = \frac{9}{5} T(^\circ\text{C}) + 32$$

$$T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273.15$$

Para variaciones de temperatura:

$$\Delta T(\text{K}) = \Delta T(^\circ\text{C})$$

$$\Delta T(^\circ\text{F}) = 1.8\ \Delta T(^\circ\text{C})$$

El calor ($q$) es la energía en tránsito debida a una diferencia de temperatura. Para elevar la temperatura de una sustancia sin cambiar su estado, se usa:

$$q = m \cdot c_e \cdot \Delta T$$

Donde:

• $q$ es el calor absorbido o liberado,
• $m$ es la masa,
• $c_e$ es el calor específico (calor necesario para elevar en 1 $^\circ\text{C}$ la temperatura de 1 g de sustancia),
• $\Delta T$ es el cambio de temperatura.

El calor específico es una propiedad intensiva característica de cada sustancia. El del agua líquida es $4.18\ \text{J/g}^\circ\text{C}$.

La materia se presenta principalmente en tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Además, existe un cuarto estado, el plasma.

El plasma es el estado más abundante del universo; se encuentra en el Sol y en las estrellas. En la Tierra, ejemplos de plasma son las pantallas de plasma y los relámpagos.

4.1 Cambios de estado

Los cambios de estado son transformaciones físicas en las que una sustancia pasa de un estado de agregación a otro sin cambiar su composición química.

La evaporación es un tipo de vaporización que ocurre solo en la superficie del líquido, a cualquier temperatura. La ebullición ocurre en todo el volumen del líquido a una temperatura característica (punto de ebullición).

La sublimación es el paso directo de sólido a gas. Ejemplos: naftalina, hielo seco ($\text{CO}_2$ sólido), yodo.

La deposición o sublimación inversa es el paso directo de gas a sólido. Ejemplo: la formación de escarcha en las superficies muy frías.

4.2 Anomalía del agua

El agua presenta un comportamiento especial: al solidificarse, aumenta de volumen. Por eso el hielo es menos denso que el agua líquida y flota sobre ella. En la mayoría de sustancias, el sólido es más denso que el líquido.

Por lo tanto, en la transformación:

$$\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(s)$$

se libera calor (solidificación) y, a diferencia de lo esperado, el volumen aumenta.

Un fenómeno físico es un cambio en el que la materia no altera su composición química; no se forman sustancias nuevas.

Ejemplos de fenómenos físicos:

• cambios de estado (fusión, evaporación, solidificación, condensación, sublimación),
• disolución de azúcar en agua,
• mezcla de arena y sal,
• cortar, moler, triturar, doblar, estirar,
• deformación de metales.

Un fenómeno químico es un cambio en el que la materia altera su composición o estructura, formando nuevas sustancias.

Ejemplos de fenómenos químicos:

• oxidación del hierro,
• combustión del propano,
• fotosíntesis,
• respiración,
• fermentación,
• digestión,
• descomposición de la materia orgánica,
• electrólisis del agua.

Indicadores que sugieren un cambio químico: cambio de color, desprendimiento de gas, formación de precipitado, liberación o absorción de calor, emisión de luz.

Cambios físicos y químicos representados con ecuaciones

Los cambios físicos se pueden representar mediante ecuaciones de cambio de estado. Por ejemplo, la fusión de una sal hidratada:

$$\text{Na}_2\text{SO}_4\cdot 10\text{H}_2\text{O}(s) \xrightarrow{32\ ^\circ\text{C}} \text{Na}_2\text{SO}_4\cdot 10\text{H}_2\text{O}(l)$$

Aquí solo cambia el estado físico, no la composición.

Los cambios químicos se representan mediante reacciones químicas. Por ejemplo:

$$\text{Zn}(s) + 2\text{AgNO}_3(ac) \rightarrow 2\text{Ag}(s) + \text{Zn(NO}_3)_2(ac)$$

Se forman nuevas sustancias: plata metálica y nitrato de zinc.

El planeta Tierra se puede dividir en subsistemas según el estado y la ubicación de la materia.

Atmósfera

Es la capa gaseosa que rodea la Tierra. Está formada principalmente por nitrógeno ($\approx 78\%$) y oxígeno ($\approx 21\%$), además de argón, dióxido de carbono, vapor de agua y otros gases. La atmósfera es una mezcla homogénea gaseosa.

Hidrósfera

Es la capa de agua que cubre la Tierra. Incluye océanos, mares, ríos, lagos, glaciares, aguas subterráneas y vapor de agua atmosférico. El agua en la hidrósfera se encuentra en sus tres estados de agregación: líquida (océanos), sólida (glaciares) y gaseosa (vapor de agua).

Litósfera

Es la capa sólida más externa de la Tierra. Está formada por la corteza terrestre y el material no consolidado que la recubre. Contiene minerales y rocas. La mayoría de los elementos en la litósfera no se encuentran en estado puro, sino formando compuestos (óxidos, silicatos, carbonatos, etc.).

Biósfera

Es el conjunto de todos los seres vivos que habitan la Tierra, junto con los ambientes donde se desarrollan. Está compuesta por plantas, animales y microorganismos.