Materia 2

Un sistema material es una porción del universo que elegimos estudiar. Para describirlo correctamente, en química usamos tres conceptos fundamentales:

1.1. Fase

Una fase es cada porción homogénea del sistema que puede distinguirse físicamente de las demás.

Por ejemplo:

• El agua líquida es una fase.
• El hielo es otra fase.
• Una mezcla de gases, como oxígeno y nitrógeno, forma una sola fase gaseosa porque los gases son completamente miscibles entre sí.

En un sistema material, una fase no tiene que estar formada por una sola sustancia: una fase gaseosa puede contener varias sustancias mezcladas.

1.2. Componente

Un componente es cada sustancia química independiente que forma parte del sistema.

Se expresa con una fórmula química.

Ejemplos:

• Agua líquida y hielo son fases distintas, pero corresponden a un mismo componente: $H_2O$.
• Una mezcla de $O_2$ y $N_2$ tiene dos componentes: oxígeno y nitrógeno.

1.3. Constituyente

Un constituyente es cada especie química presente en una fase.

Un mismo componente puede dar lugar a dos constituyentes si aparece en dos fases diferentes.

Ejemplo:

• El agua líquida y el hielo son dos constituyentes del componente $H_2O$: $H_2O(l)$ y $H_2O(s)$.

1.4. Comparación rápida

En un sistema formado por una mezcla de gases, agua líquida y hielo, los gases miscibles forman una sola fase gaseosa, el agua líquida forma una segunda fase y el hielo una tercera fase.

Una propiedad es cualquier característica que permite describir o identificar una sustancia.

Las propiedades se clasifican primero en dos grandes grupos:

2.1. Propiedades generales o extensivas

Dependen de la cantidad de materia.

Ejemplos:

• Masa
• Volumen
• Peso
• Cantidad de sustancia
• Energía total

Si divides un cuerpo a la mitad, su masa y su volumen se reducen a la mitad.

2.2. Propiedades particulares o intensivas

No dependen de la cantidad de materia.

Permiten identificar sustancias o comparar materiales.

Ejemplos:

• Densidad
• Punto de fusión
• Punto de ebullición
• Dureza
• Solubilidad
• Conductividad

La densidad del agua líquida es $1\,g/mL$, tanto en una gota como en un balde.

Dentro de las propiedades particulares se encuentran las propiedades mecánicas, que describen el comportamiento de los sólidos frente a fuerzas aplicadas.

2.3. Propiedades mecánicas más importantes

Un error frecuente es confundir dureza con tenacidad. El diamante es el mineral más duro, pero puede romperse si se le golpea con un martillo: es duro, pero no muy tenaz.

2.4. Propiedades físicas y químicas

Otra clasificación importante:

• Propiedades físicas: se pueden medir u observar sin cambiar la identidad química de la sustancia. Ejemplos: color, masa, volumen, densidad, punto de fusión, dureza, conductividad.
• Propiedades químicas: solo se manifiestan cuando la sustancia experimenta un cambio químico y se transforma en otra. Ejemplos: combustibilidad, oxidación, reactividad con ácidos.

Por ejemplo, decir que el alcohol es inflamable es describir una propiedad química, porque solo se observa cuando el alcohol arde y se transforma en otras sustancias.

Un fenómeno es todo cambio que experimenta la materia.

3.1. Fenómeno físico

Es aquel en el que la sustancia no cambia su composición química; solo cambia su forma, su estado de agregación o su posición.

Ejemplos:

• Fusión del hielo
• Sublimación del hielo seco
• Licuación del propano
• Filtración del agua
• Mezcla de agua y alcohol
• Disparo de un proyectil

En todos estos casos, al final seguimos teniendo las mismas sustancias.

3.2. Fenómeno químico

Es aquel en el que una o más sustancias se transforman en otras nuevas, con propiedades diferentes.

Ejemplos:

• Combustión del papel
• Combustión del alcohol
• Oxidación del hierro
• Oxidación del cobre
• La leche agria

3.3. Indicios de un cambio químico

No todo desprendimiento de gas o cambio de color es siempre químico, pero estos indicios ayudan a sospecharlo:

• Formación de un gas
• Cambio de color
• Aparición de un precipitado
• Desprendimiento de calor o luz
• Cambio de olor
• Irreversibilidad habitual

El único criterio seguro es comprobar si cambió la identidad química de las sustancias. Por ejemplo, el agua que hierve produce vapor, pero sigue siendo agua: es un fenómeno físico.

La alotropía es la propiedad que tienen algunos elementos químicos de existir en dos o más formas diferentes en el mismo estado físico.

A cada una de esas formas se le llama alótropo.

Los alótropos están formados por el mismo elemento, pero sus átomos están organizados de manera distinta, lo que les da propiedades diferentes.

Ejemplos clásicos

El caso más preguntado es el del oxígeno:

• El oxígeno común es $O_2$.
• El ozono es $O_3$.
• Ambos son gases en condiciones ordinarias.
• Tienen propiedades químicas diferentes: el ozono es más reactivo.

La alotropía no debe confundirse con un simple cambio de estado. El agua líquida y el hielo no son alótropos: son la misma sustancia, $H_2O$, en dos fases distintas.

La materia y la energía no son conceptos aislados. En los cambios físicos y químicos, la energía se transforma o se transfiere. En los procesos nucleares, una parte de la masa puede transformarse en energía.

5.1. ¿Qué es la energía?

En química, la energía se define como la capacidad para producir cambios o realizar trabajo.

Puede manifestarse de varias formas:

En los fenómenos físicos y químicos ordinarios, la masa total de los reactivos y productos permanece prácticamente constante. En cambio, en los fenómenos nucleares, la variación de masa es medible.

5.2. Equivalencia entre masa y energía

Albert Einstein estableció la relación más famosa de la física:

$$E = mc^2$$

Donde:

• $E$ es la energía producida o absorbida.
• $m$ es la masa que se transforma en energía.
• $c$ es la velocidad de la luz en el vacío.

Como $c$ es un número enorme, una pequeña cantidad de masa equivale a una cantidad gigantesca de energía.

5.3. Unidades de trabajo con $E=mc^2$

En el sistema internacional:

• Masa en kilogramos ($kg$)
• Velocidad en metros por segundo ($m/s$)
• Energía en joules ($J$)

Entonces:

$$E = m(kg) \times (3 \times 10^8)^2$$

En el sistema cegesimal:

• Masa en gramos ($g$)
• Velocidad en centímetros por segundo ($cm/s$)
• Energía en ergios ($erg$)

Entonces:

$$E = m(g) \times (3 \times 10^{10})^2$$

Por ejemplo, si $1\,g$ de masa se convirtiera completamente en energía:

$$E = 1\,g \times (3 \times 10^{10}\,cm/s)^2 = 9 \times 10^{20}\,erg$$

Lo cual equivale a:

$$9 \times 10^{13}\,J$$

5.4. Defecto de masa en procesos nucleares

En una reacción nuclear, la masa de los productos puede ser ligeramente menor que la masa de los reactivos.

Esa masa que «falta» no desaparece sin más: se transforma en energía.

Se define:

$$\Delta m = m_{\text{inicial}} - m_{\text{final}}$$

Y la energía liberada es:

$$E = \Delta m c^2$$

Esto ocurre, por ejemplo, en la fisión del uranio-235: un núcleo pesado se divide en fragmentos más ligeros y libera gran cantidad de energía.

También ocurre en la fusión nuclear: núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado y parte de su masa se convierte en energía.

5.5. Masa relativista

La teoría de la relatividad también establece que la masa de un cuerpo en movimiento, medida por un observador en reposo, aumenta cuando su velocidad se aproxima a la velocidad de la luz.

La fórmula para la masa relativista es:

$$m = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$$

Donde:

• $m_0$ es la masa en reposo.
• $v$ es la velocidad del cuerpo.
• $c$ es la velocidad de la luz.

A velocidades cotidianas, $v$ es mucho menor que $c$, por lo que el efecto es despreciable. Pero cuando $v$ es una fracción importante de $c$, la masa relativista se hace notablemente mayor.