tema 12

1. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
Unidad 13. La materia, la base del universo
1 ¿Qué es la materia?
A nuestro alrededor existen muchos tipos diferentesde materia. El papel
con el que está hecho este libro y el aire que respiramos es materia. Sin
embargo, la luz de una lámpara o el fuego del Sol no es materia.
Características comunes a todas las clases de materia:
Están formadas por partículas muy pequeñas llamadas átomos.
Estos átomos poseen masa y, por tanto, una característica de la
ma-teria es la masa.
Los átomos ocupan un volumen en el espacio, por tanto, la
materia posee volumen.
Materia es todo aquello que posee masa y ocupa volumen.
Se denomina sustancia a un tipo concreto de materia que presenta
unas propiedades específicas: color, temperatura de fusión o ebulli-
ción, facilidad de oxidación, etc.
Estas propiedades específicas permiten diferenciar entre sí a las
distin-tas clases de sustancias.
La materia no es eterna, se puede destruir transformándose en luz.
Este proceso es el que ocurre en el Sol, donde el hidrógeno se trans-
forma en helio y desprende una enorme cantidad de luz. En este pro-
ceso, la masa del Sol va disminuyendo.
El aire es materia. Un globo contiene más de
1000 kilogramos de aire, que ocupan 1000
metros cúbicos de volumen.
2 Magn itud es físicas. Sistema Internacional de unidades
Algunas propiedades de la materia se pueden medir y se expresan
mediante números. La longitud, la masa o el tiempo son ejemplos de
estas propie-dades llamadas magnitudes físicas.
Para obtener el valor de una magnitud física se realizan medidas que se
comparan con la unidad. La unidad de cada magnitud física es una canti-dad
arbitraria de la misma, que también recibe el nombre de patrón.
El metro, el kilogramo o el segundo son las unidades de longitud, masa y
tiempo, respectivamente.
Las magnitudes físicas fundamentales se pueden combinar entre sí, dando
lugar a nuevas magnitudes derivadas. Por ejemplo, si dividimos el espacio
recorrido por un coche (magnitud fundamental) entre el tiempo em-
pleado (magnitud también fundamental), obtenemos su velocidad media
(magnitud derivada).
El velocímetro indica la velocidad, que
es una magnitud derivada.
MAGNITUD UNIDAD
SÍMBOLO
FUNDAMENTAL EN EL SI
Longitud Metro m
Masa Kilogramo kg
Tiempo Segundo s
Temperatura Grado kelvin K
Cantidad de
Mol mol
sustancia
El Sistema Internacional de unidades (SI) define una serie de
magnitudes fundamentales y determina los patrones que
deben emplearse como unidad.
Este sistema se creó para facilitar el intercambio de infor-
mación científica y técnica entre países.
En la tabla puedes ver algunas de las magnitudes funda-
mentales y sus unidades en el Sistema Internacional.
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2. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
3 Cómo realizar una med ida. Erro res
Una medida es la expresión por la que conocemos la cantidad de una magnitud física, como nuestra altura o
nuestra masa, las dimensiones de una habitación o la temperatura del aire. Para ello, utilizamos instrumentos de
medida. Las medidas de una magnitud pueden ser:
Medidas directas. Son las obtenidas comparando directamente la magni-
tud que queremos medir con un valor conocido, llamado unidad. Por
ejem-plo, al situar una cinta métrica sobre la marca de una pared para
conocer nuestra altura.
Medidas indirectas. Se basan en cálculos que hacemos a partir de las medidas
de otras magnitudes. Por ejemplo, para medir la superficie de una habitación
medimos largo y ancho, y después multiplicamos estas medidas.
El error es la diferencia entre el valor medido y el valor real de la magnitud
que queremos medir. Siempre tratamos de que nuestra medida se
aproxime al valor real, pero las causas de error son muchas. Por ejemplo:
Los instrumentos de medida tienen un error asociado a la precisión del
instrumento. Por ejemplo, si la cinta con la que medimos está graduada
en centímetros, tendremos un error mínimo de 1 cm.
Los errores accidentales son debidos a descuidos, defectos del instru-mento
o a las condiciones en que se realiza la medida.
Los errores sistemáticos se cometen por las condiciones de observación.
Por ejemplo, se comete un error denominado de paralaje si no marcamos
bien la altura sobre la pared.
La cinta métrica nos
da un error de 1cm
Error debido a la precisión del
instrumento y error de paralaje.
4 La masa y el volumen, dos magnitudes muy prácticas
La masa de un cuerpo se puede definir como la cantidad de materia que tiene. Su valor
solo depende del número de partículas del cuerpo. En el Sistema Internacional de
unidades se expresa en kilogramos.
La masa se mide empleando balanzas. En las antiguas balanzas de dos brazos se com-
paraba directamente la masa de un objeto con las pesas. Actualmente, es preferible el
uso de balanzas electrónicas por su exactitud y rapidez.
El volumen de un cuerpo es el espacio que ocupa. Su valor depende de las condiciones
de presión y temperatura. En el Sistema Internacional de unidades se mide en metros
cú-bicos.
Es frecuente medir la cantidad de los líquidos por su volumen. Esta no es una medida
exacta, ya que, debido a la dilatación, el volumen de los líquidos puede cambiar sin que
su masa varíe. No obstante, en la práctica hay poca diferencia y, además, para las
envasa-doras es más fácil medir el volumen.
Los gases poseen una masa muy pequeña en relación con un volumen igual de líquido o
sólido. Además, su volumen varía mucho al comprimirlos o calentarlos. Mientras que un
litro de agua posee una masa de 1000 g, un litro de aire apenas llega a 1,2 g.
TOMATE
1 KILO
LECHE
1Litro
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3. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
5 La densidad
La densidad, d, es una magnitud derivada que se define como la relación que existe entre la masa, m, y el volu-
men, V, de un cuerpo:
d=
m
V
La unidad de densidad en el SI es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3). También es frecuente expresarla en
gra-mos por centímetro cúbico (g/cm3).
La densidad de los cuerpos varía con la temperatura. Cuando esta aumenta, los cuerpos sufren un proceso de
dilatación por el que se incrementa su volumen, mientras que su masa permanece constante. La consecuencia
es que la densidad disminuye.
La densidad de un material es una medida que representa
lo concentrada que está la materia en él. Cada material
posee una densidad característica, cuyo valor puede servir
para identificarlo.
Los gases son muy poco densos, mientras que algunos sóli-
dos –en especial, los metales– alcanzan densidades muy ele-
vadas. En la construcción de vehículos se emplean materiales
resistentes pero poco densos, como el aluminio o el titanio.
La densidad no depende del tamaño de la muestra. Por
ejem-plo, la densidad de una pepita de oro es igual que la
densidad de un lingote de esta sustancia.
MATERIAL
DENSIDAD
(kg/m3
)
Aire (a 20 °C
1,2
sin comprimir)
Agua (a 4 °C) 1000
Acero 7850
Aluminio 2700
Titanio 4507
6 La temperatura
La temperatura es una magnitud que indica el estado térmico de un cuerpo. Las
variaciones de temperatura suelen ir acompañadas de otros cambios en los
cuer-pos. Todos aumentan de volumen al calentarse o cambian alguna
propiedad como el color o cambian de estado.
Algunas sustancias que sufren cambios medibles cuando aumenta su
temperatura se emplean para construir termómetros.
La medida de la temperatura se realiza con los termómetros. Al poner en contacto
el termómetro con un cuerpo, se produce el paso de energía del cuerpo caliente al
cuerpo frío hasta que se igualan sus temperaturas. Entonces, podemos leer la
temperatura del termómetro, que será también la del cuerpo.
Cada termómetro se gradúa en una escala termométrica determinada.
La escala Celsius asigna el valor cero (0 ºC) al hielo fundiéndose y el valor cien
(100 ºC) al agua hirviendo. Esta diferencia de 100 grados hace que dicha
escala sea conocida también como “escala centígrada”.
En la escala Kelvin, también llamada escala de temperaturas absolutas, se asigna
273,16 K al hielo fundiéndose. También es una “escala centígrada”. Para
pasar de la escala Celsius a la Kelvin, basta con sumar 273,16:
T (K) = T (°C) + 273,16
Escala
Escala
Celsius
Kelvin
Marca de
temperatura
Depósito
de alcohol
El aumento de volumen del alcohol
al calentarse hace que suba por el
tubo estrecho graduado.
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4. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
7 Materia homogénea y heterogénea
Se puede establecer una clasificación de la materia según el aspecto que presenta.
Si miras una macedonia de frutas, puedes observar partes diferenciadas en ella: melocotón, manzana, naranja,
etc. Se dice que es materia heterogénea. Si, a continuación, pasas esa macedonia por una licuadora, el resultado
es un “puré” en donde, a simple vista, no puedes encontrar partes diferenciadas. Se dice que el producto se ha
homogeneizado.
Sin embargo, si observas al microscopio ese puré, de nuevo podrás encontrar partes diferenciadas en él. Vuelve
a presentar un aspecto heterogéneo.
Como puedes comprobar, esta clasificación depende de la escala de observación. Algunas sustancias que parecen
homogéneas revelan diferencias al observarlas al microscopio óptico.
Una ensalada de frutas, a simple vista, no
presenta un aspecto uniforme. Es
heterogénea.
Un zumo de frutas tiene un aspecto
uniforme a simple vista. Es más
homogéneo que la ensalada.
Materia homogénea es aquella que tiene un aspecto uniforme; en ella no se observan partes diferentes.
Materia heterogénea es aquella que presenta un aspecto no uniforme; se observan diferencias entre sus partes.
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5. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
8 Mezclas. Método s de separación
Una mezcla es un tipo de materia formada por la unión de varias sustancias diferentes. Casi todos los tipos de
materia que observamos a nuestro alrededor son mezclas. Según el aspecto que presentan, existen dos tipos
de mezclas: heterogéneas y homogéneas.
Las mezclas heterogéneas. Para separar los
componentes de estas mezclas se utilizan mé-
todos que tiene que ver con las propiedades de
las sustancias que las forman.
– Filtración. Permite separar líquidos de sóli-
dos. Se hace pasar la mezcla por un filtro
o tamiz, que permite el paso del líquido y
re-tiene las partículas sólidas.
– Decantación. Permite separar líquidos in-
miscibles como el agua y el aceite. Se deja
reposar la mezcla en el embudo de
decanta-ción para que sedimenten las
partículas más densas.
Las mezclas homogéneas. Se denominan
disoluciones. Al componente mayoritario de
una disolución se le llama disolvente y al
resto, soluto. La mayoría son líquidas, pero
también las hay gaseosas y sólidas.
La mayoría de las disoluciones líquidas se
forman al mezclar agua pura como disolvente
y una sustancia sólida como soluto.
La atmósfera terrestre es una disolución ga-
seosa que contiene nitrógeno, oxígeno y otros
componentes minoritarios.
El bronce es una disolución sólida formada por
dos metales, el cobre y el estaño. Este tipo de
disoluciones se denominan aleaciones.
La concentración de una disolución indica la
cantidad de soluto que se encuentra en la di-
solución. Se expresa en gramos de soluto
por litro de disolución (g/L).
FILTRACIÓN DECANTACIÓN
Mezcla
inicial Embudo de
decantación
Filtro Líquidos
de diferente
densidad
Partículas sólidas
Líquido
más denso
Líquido filtrado
MODELO DE LOS COMPONENTES
DE UNA DISOLUCIÓN
Soluto
Disolvente
Disolución
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6. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
9 Sustancias puras: simples y compuestas
Las sustancias puras son sustancias que poseen propiedades
específicas que sirven para separarlas e identificarlas. Entre
ellas, destacan la densidad y las temperaturas de cambio de
estado.
Por ejemplo, el agua pura se congela a 0 ºC y hierve a 100
ºC; ninguna otra sustancia del universo posee esas
temperaturas de cambio de estado.
Las sustancias puras se clasifican en simples y compuestas.
Las sustancias puras compuestas son aquellas que pueden
transformarse en sustancias más sencillas mediante
procedi-mientos especiales. Por ejemplo, el agua (H2O)
puede des-componerse en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2)
mediante la corriente eléctrica.
Las sustancias puras simples no pueden descomponerse en
otras. Existen poco más de cien sustancias puras simples
en el universo.
Por ejemplo, el oxígeno y el nitrógeno de la atmósfera son sus-
tancias simples; también lo son el hierro, el carbono o el cloro
porque es imposible descomponerlos en otras sustancias.
El azúcar es una sustancia compuesta que contiene
sustancias simples como carbono, oxígeno e hidrógeno.
Al descomponerse, podemos observar cómo aparece el
carbono.
10 La crom ato grafía, un mét odo de separ ación de susta ncias
Entre las técnicas utilizadas por los científicos para separar los componentes de una mezcla, se encuentra la
cro-matografía. Esta técnica se basa en que las distintas sustancias de una mezcla se dejan arrastrar a diferente
velo-cidad por los disolventes.
Las tintas de los rotuladores son una mezcla compuesta por algún disolvente y diferentes pigmentos. Algunos
co-lores, como el negro, suelen ser mezclas de dos o tres pigmentos diferentes. Para separarlos, se puede
realizar una cromatografía siguiendo estos pasos:
1. Preparamos las tintas. Cortamos dos tiras de papel de filtro de 0,5 cm de ancho
por 8 cm de largo. Con un rotulador negro pintamos una pequeña man-cha a 1
cm del extremo de una tira. En la otra tira realizamos otra marca simi-lar con
un rotulador negro distinto del anterior. En el extremo opuesto de cada tira
identificamos con lápiz la marca de la tinta empleada (A y B).
2. Situamos las tiras dentro de un pequeño vaso que contenga alcohol, tal como
muestra la fotografía. (Debemos tener mucho cuidado con el alcohol, pues
si moja directamente las manchas de tinta, disolverá los componentes y
tendre-mos que empezar de nuevo.)
3. Separamos los pigmentos. Esperamos a que el alcohol vaya ascendiendo por
las tiras. Cuando alcanza las manchas, disuelve la tinta y sigue subiendo
hasta provocar la separación de los pigmentos. Este hecho se debe a la
dis-tinta velocidad con que se mueven por el papel.
Si comparamos tintas de diferentes marcas, com-
probaremos que no todas emplean los mismos pig-
mentos para fabricar el color negro.
Este procedimiento de análisis se llama
cromatogra-fía, debido a que inicialmente se
empleaba para se-parar sustancias coloreadas.
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