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La materia y sus estados de agregación y propiedades

Aquí se va a abordar el concepto general de materia y sus estados de agregación y propiedades, así como también su clasificación en función de la composición. Base para estudiar posteriormente los constituyentes últimos de la materia, que son la clave de la química

Ejemplo de materia el agua en sus tres estados de agregación, hielo, líquido y vapor
Agua en forma de hielo, líquido y vapor a la vez

Según los académicos la química es la ciencia que estudia la composición y propiedades de la materia, es decir, se encarga de las relaciones que hay entre tres conceptos: materia, composición y propiedades. 

Muchos manuales en referencia a la materia indican que la materia es «aquello que ocupa un lugar y además tiene inercia», no suelen dar una explicación más amplia, la cual podría ser : «el lugar que ocupa un objeto material  no puede ser ocupado por otro, y que no varía su velocidad a menos que se le aplique una fuerza».

La composición informa de los componentes que forman una sustancia y la proporción relativa entre todos ellos.

Las propiedades son las cualidades y atributos que diferencian a una sustancia de otra.  En química se distinguen entre propiedades físicas y químicas, en las primeras su medición no supone ningún cambio en la composición, mas en las segundas sí. Veamos algunos ejemplos de ambas:

–  Propiedades físicas: temperatura, volumen, masa, conductividad térmica.

–  Propiedades químicas: facilidad para arder, resistencia a la oxidación, resitencia al ataque de ácidos o bases

 

La materia y sus estados de agregación 

En física y en química se acepta que cualquier materia, pura o mezclada, puede variar la forma en que se presenta cuando se modifican hasta cierto punto las condiciones de presión y temperatura. Se habla entonces de los estados de agregación de la materia, caracterizándose cada uno de ellas por un comportamiento a nivel atómico-molecular.

De manera general, se habla de cuatro estados de agregación de la materia. Aunque sólo tres de ellos se dan de forma natural en nuestro mundo.

Sólido

Se define el estado sólido como un fluido de viscosidad que tiende a infinito, porque los sólidos no pueden lograr que unas capas de moléculas se desplacen sobre otras por la acción de una fuerza. No obstante, los sólidos pueden deformarse de forma tanto reversible como irreversible o romperse frente a esfuerzos.

Líquido

Un líquido es un fluido que es capaz de variar su forma con facilidad, aunque apenas ve modificado su volumen si se le somete a presiones elevadas. Por tanto, los líquidos son fluidos incompresibles. La moléculas líquidas gozan de cierta libertad de movimiento.

Gaseoso

Es importante no confundir este estado con vapor. En el estado gaseoso, las moléculas se expanden hasta ocupar todo el espacio disponible y, además, son muy móviles. No obstante, al aplicar presión, un gas puede verse obligado a reducir el volumen que venía ocupando, por ello se dice que los gases son fluidos compresibles.

El vapor no es un estado de la materia, sino un grupo de moléculas en estado gaseoso que se encuentran en constante equilibrio dinámico con las mismas moléculas en estado líquido. De manera continua, unas moléculas pasan de líquido a gas y otras de gas a líquido, manteniéndose el equilibrio termodinámico.

Plasma

El estado plasmático se caracteriza por ser como el gaseoso pero con átomos o moléculas ionizados, es decir, hay electrones que se han escapado de la influencia de sus correspondientes núcleos atómicos, lo que convierte a los plasmas en excelentes conductores.

Cambios de estado de agregación de la materia

  • Fusión: paso de sólido a líquido.
  • Solidificación: paso de líquido a sólido.
  • Vaporización y ebullición son los pasos de líquido a vapor y a gas respectivamente.
  • Condensación o licuefacción es el paso de gas o vapor a estado líquido.
  • Sublimación: paso de sólido a gas sin convertirse en líquido en una etapa intermedia del proceso.
  • Deposición o sublimación inversa: cambio directo de gas a sólido saltando la etapa líquida.
  • Ionización: cambio de estado gaseoso a estado plasmático.
  • Desionización: cambio de plasma a gas.

 

Elementos, compuestos y mezclas homogéneas o heterogéneas

La materia está formada por partículas extremadamente diminutas denominadas átomos y según la manera en como se agrupan y organizan dividen a la materia en: sustancias puras o mezclas, a su vez las sustancias puras se dividen en elementos y compuestos, y las mezclas en homogéneas o heterogéneas 

Los elementos están formados por un solo tipo de átomo. Los compuestos están formados por un único tipo de moléculas (las moléculas se componen de varios tipos de átomos o elementos), como por ejemplo, el agua. Cuando al agua le añadimos algo —imaginemos que es azúcar o sal—, tenemos una mezcla.

Las mezclas pueden ser homogéneas es decir, presentar las mismas propiedades físicas y químicas en cualquier punto, o heterogéneas en caso contrario. A modo de ejemplo: si disolvemos un poco de azúcar en agua, tendremos una mezcla homogénea; pero si añadimos una cantidad muy grande de azúcar, llegará un momento en que parte del azúcar precipite y tendremos una mezcla heterogénea en la que se observan dos estados de agregación; el líquido de agua azucarada y el sólido del azúcar que no se ha podido disolver.

Disoluciones o soluciones

Antes de adentrarnos en la definición de las distintas disoluciones y soluciones, es importante saber que en física y en química, se manejan tres niveles de descripción.
Uno es el nivel macroscópico, el visible con nuestros ojos o con algún elemento de aumento, como un microscopio de juguete o una lupa.

El nivel microscópico se encarga de descripciones más detalladas y, como su nombre indica, hace referencia a fenómenos observables con un microscopio óptico de laboratorio.

El nivel atómico molecular supone hablar de átomos y de las partículas que los componen, requiere de un microscopio electrónico o alguna otra tecnología capaz de detectar partículas subatómicas para confirmar sus modelos.

Las disoluciones líquidas no son una mezcla más, puesto que son sustancias homogéneas a nivel microscópico, con una concentración de soluto (lo que se disuelve) también homogénea. Consisten en un componente mayoritario que contiene uno o más solutos (componentes minoritarios) distribuídos de manera uniforme. 

En caso de que el disolvente sea agua, se suele hablar de soluciones. Los solutos diseminados en una disolución se distribuyen uniformemente, tras una agitación o después de esperar un tiempo por difusión natural.

Procesos de separación de sustancias

Procesos de separación de sustancias puras: Los compuestos químicos o moléculas solo pueden descomponerse en sus partes mediante procesos químicos, como por ejemplo: reacciones de descomposición, combustión, reacciones con ácidos o bases… Los elementos, por estar constituidos por un solo tipo de átomos, evidentemente no, solo podrían descomponerse en párticulas subatómicas mediante reacciones nucleares.  Los procesos físicos no sirven para descomponer sustancias puras.

Procesos de separación de mezclas: las mezclas heterogéneas son más fáciles de separar por presentar normalmente al menos dos estados de agregación, por lo que se pueden emplear procesos de filtración, decantación, levigación, lixiviación, imantación, destilación o evaporación. Por el contrario, en las mezclas homogéneas no se pueden usar métodos basados en la diferencia de densisdad entre los componentes;  se tienen que emplear métodos como la destilación, evaporación, extracción o la cromatografía.

Clasificación de las propiedades de la materia

Las propiedades de la materia se pueden organizar de diferentes maneras. A veces, como en el caso de la viscosidad, la definición hace referencia a fenómenos observados a nivel microscópico, mientras que otras, como el volumen, hacen referencia al nivel macroscópico.

Otro criterio de clasificación es en función de la dependencia de la propiedad respecto de la cantidad de materia. Si la propiedad depende de la cantidad de materia, como el volumen o la masa, es extensiva, en caso contrario es intensiva como por ejemplo la temperatura o la densidad.

Hay propiedades que son cuantificables y por tanto medibles, su valor se expresa mediante un número y una unidad, a estas se las conoce como magnitudes físicas y pueden ser fundamentales o derivadas. Las magnitudes fundamentales son aquellas que se definen de manera unívoca y en el S.I. son siete: la masa (kg), la longitud (m), el tiempo (s), la temperatura (K), la intensidad luminosa (cd), la cantidad de materia (el mol) y la intensidad de corriente eléctrica (A). . 

Las magnitudes derivadas, como indica su nombre, se definen a partir de las fundamentales por combinación de una o más de ellas, cuya unidad de medida expresa matemáticamente dicha combinación. Por ejemplo el volumen (m3) o la fuerza que se mide en newtons (N = kg·m/s2).

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