Sistemas Materiales: Propiedades y Clasificación

El universo está formado por materia. Un sistema material es una porción de materia aislada para su estudio. Los diferentes tipos de materia que constituyen los sistemas materiales son las sustancias. Los sistemas materiales se caracterizan por propiedades generales, como la masa y el volumen, y propiedades específicas, que diferencian unas sustancias de otras (ej., densidad, temperatura de fusión).

Propiedades Generales de la Materia

Son aquellas comunes a todas las sustancias y no sirven para caracterizarlas individualmente:

• Masa: Cantidad de materia que tiene un cuerpo. Unidad: kilogramo (kg). Múltiplos: tonelada (T); submúltiplos: gramo (g).
• Volumen: Lugar que ocupa un cuerpo en el espacio. Unidad: metro cúbico (m³), equivalente a un cubo de un metro de lado.
  • El volumen de sólidos regulares se calcula mediante fórmulas matemáticas.
  • El volumen de sólidos irregulares se puede medir con una probeta.

Fórmulas para Calcular el Volumen

• Cubo: V = a³
• Paralelepípedo: V = a · b · c
• Cilindro: V = π · r² · h
• Esfera: V = (4/3) · π · r³
• Cono: V = (1/3) · π · r² · h

Propiedades Específicas de la Materia

Son características propias que sirven para identificar una sustancia. La densidad (D) es la relación entre la masa y el volumen ocupado por una sustancia. Se define como la cantidad de masa que corresponde a la unidad de volumen:

D = M / V, por lo que M = V · D y V = M / D. La unidad de densidad en el Sistema Internacional es el kg/m³.

Estados de Agregación de los Sistemas Materiales

Los sistemas materiales se presentan en tres estados físicos o de agregación: sólido, líquido y gas.

Estados Físicos de Agregación

El estado físico de una sustancia depende de las fuerzas de atracción entre sus partículas, la presión y la temperatura.

• Sólido:
  • Volumen fijo
  • Forma propia
  • No fluyen
  • No se comprimen fácilmente
  • Fuerzas de cohesión grandes que mantienen unidas las partículas
• Líquido:
  • Volumen fijo
  • Forma del recipiente que los contiene
  • Fluyen libremente
  • Se comprimen poco
  • Fuerzas menores que permiten que las partículas se deslicen unas sobre otras
• Gaseoso:
  • Volumen del recipiente
  • Sin forma definida
  • Fluyen libremente
  • Se comprimen con facilidad
  • Fuerzas muy pequeñas que permiten que las partículas se muevan en todas direcciones

Cambios de Estado

Un cambio de estado es el proceso por el cual una sustancia, al calentarse o enfriarse, pasa de una forma de agregación a otra.

• Fusión: Cambio de sólido a líquido al aplicarle calor (ej., deshielo).
• Solidificación: Paso de líquido a sólido (ej., congelación).
• Evaporación: Paso de la porción superficial de un líquido a vapor a cualquier temperatura (ej., secado de una superficie mojada). La evaporación es mayor cuanto mayor sea la superficie de contacto con el aire y la temperatura.
• Ebullición: Cuando a un líquido se le aplica suficiente calor, aumenta su temperatura hasta que hierve y pasa a estado gaseoso (ej., agua hirviendo que se convierte en vapor).
• Condensación: Proceso de cambio de un gas a líquido al enfriarse (ej., vapor de agua que forma gotas al contacto con una superficie fría).
• Sublimación: Paso directo de sólido a gas sin pasar por líquido (ej., una bola de naftalina).
• Sublimación inversa: Paso directo de gas a sólido (ej., formación de escarcha).

La variación de presión influye en los cambios de estado.

Teoría Cinético-Molecular

La materia está formada por infinidad de partículas no visibles a simple vista. La teoría cinético-molecular, desarrollada por Clausius, explica la naturaleza y el comportamiento de los gases basándose en los siguientes postulados:

• Los gases están formados por partículas invisibles al microscopio, muy separadas entre sí.
• Las partículas gaseosas se mueven desordenadamente en línea recta y al azar, chocando entre sí y con las paredes del recipiente. La rapidez del movimiento depende de la temperatura del gas.
• Las fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas del gas son despreciables, lo que permite su libre movimiento.

Esta teoría se puede aplicar a los demás estados de agregación, adaptándola a las características de los sólidos y los líquidos.

Sustancias Puras, Mezclas y Disoluciones

: Materia constituida por sustancias, se pueden clasificar en sustancia puras (formadas por un solo componente) o mezclas (formadas por dos o mas componentes). Se clasifican en mezclas heterogeneas y mezclas homogeneas llamadas disoluciones. Sustancias Puras: Estan integradas por particulas iguales entre si y cuyas propiedades no cambian. Pueden ser: Simples o Elementos: No se pueden descomponer en otras mas sencillas por metodos quimicos corrientes y sus atomos son iguales. Elementos quimicos como el hierro, el oro, el cobre etc. Suelen representarse por un simbolo que se corresponde con la inicial. Compuestos: Union de dos o mas elementos quimicos en unas proporciones fijas se pueden separar en elementos. El agua, el cloruro de sodio. etc. Las sustancias puras se caracterizan por tener unas propiedades especificas que las diferencian como el punto de fusion y ebullicion, etc. Mezclas Heterogeneas: Sistemas materiales formados por varias sustancias en los que su estructura, composicion y propiedades varian dependiendo de los elementos y de su distribucion en los mismos. Estas mezclas se distinguen a simple vista, a veces es necesario recurrir al microscopio para diferenciar las discontinuidades en sus componentes. La separacion de los componentes, metodos. Seperar Solidos de Solidos: Se pueden separar de las siguientes formas: Manualmente: Si el tamaño de las particulas es grande Ej. separar legumbres e impurezas. Cribado: Aprovechando que uno de los elementos es mas grande que otros. Ej. Cuando separan la arena y grava. Imantacion: Aprovecha que uno de los componentes tiene propiedades magneticas. Separar Solidos de Liquidos: Se pueden separar con las siguientes tecnicas: Filtracion: Un componente esta en forma de pequeñas particulas solidas en el seno de un liquido. Separar los componentes haciendoles atravesar un filtro. Decantacion: Cuando las sustancias a separar tienen distinta densidad. Dejar reposar la mezcla con fin de que el componente mas denso se deposite en el fondo. Separar Liquidos de Liquidos: Si son liquidos no miscibles se emplea el embudo de decantacion . No se mezclan y queda uno sobre otro de acuerdo con su densidad, y permitiendo su separacion, al abrir la llave y dejar fluir el mas denso en su totalidad. Mezclas Homogeneas y Disoluciones: Sistemas materiales formados por diferentes sustancias, mantienen las mismas propiedades en todos sus puntos. Las mezclas homogeneas formadas por dos o mas sustancias puras se llaman disoluciones . La sustancia que esta en mayor proporcion se llama disolvente y la que esta en menor proporcion se llama soluto. Tipos de Mezclas Homogeneas: Disoluciones formadas por: -Solido en Solido: Bronce, aleacion de cobre y estaño o el laton de cobre y cinc. -Solido en Liquido: Sal en agua. -Liquido en Liquido: Alcohol en agua. -Gas en Liquido: Oxigeno en agua, Dioxido de carbono en agua. etc. -Gas en Gas: Aire, mezcla de diversos gases. Separacion de los componentes de una mezcla homogenea: Se basa en la diferente temperatura de ebullicion del soluto y del disolvente y se emplean los siguientes metodos de separacion: Destilacion: Calentar la mezcla, se evapora primero el elemento con menor punto de ebullicion cuyo vapor se recoge, se enfria y pasa de nuevo a liquido, quedando el otro elemento en el recipiente que contenia la mezcla. Separar liquidos de una disolucion. Cristalizacion: Se usa para separar un solido de un liquido, dejando que este se evapore y aparezca solido en pequeños cristales. Cuanto mas lenta sea la evaporacion, de mayor calidad seran los cristales. Concentracion de una disolucion: La cantidad de soluto que hay en una determinada cantidad de disolvente o disolucion. Las disoluciones se clasifican en: -Diluidas: Cantidad de soluto es pequeña frente a la de disolvente. -Concentradas: Proporcion es grande. Saturadas: Si la proporcion de soluto que admite el disolvente es la maxima posible a una determinada temperatura. Formas de expresar la concentracion de una disolucion: La relacion entre el soluto y el disolvente se puede expresar de diversas formas: Tanto por ciento en peso: Los gramos de soluto contenidos en 100 g de disolucion, % en peso = gramos soluto partido de masa de disolucion · 100, (Disolucion, es la suma de los dos componentes OJO!). Gramos por litros: gramos de soluto contenidos en 1 litro de disolucion. Concentracion = Gramos soluto partido por volumen de disolucion en litros. g/l.