LA MATERIA Y LOS FENÓMENOS NATURALES

La materia y los fenómenos naturales Química 1 UNIDAD DE COMPETENCIA 2 LA MATERIA Y LOS FENÓMENOS NATURALES UNIDAD DE COMPETENCIA 2: Aplicar los conceptos obtenidos acerca de la materia para una mayor descripción y explicación de los fenómenos naturales. ¿Qué vas a aprender a hacer? 1. Comprender y describir lo que es la materia. 2. Comprender la ley de la conservación de la materia y relacionarla con acontecimientos de la vida diaria.. 3. Identificar a la materia que nos rodea en base a dos criterios importantes: el estado físico o estado de agregación de la materia y su composición. 4. Explicar cuales son los estados de agregación de la materia y el por qué y cómo se dan los cambios físicos en ella. 5. Aplicar los conocimientos sobre separación de mezclas a situaciones cotidianas. Conceptos Al hombre siempre le intrigó saber cómo estaba constituida la materia y cuáles eran sus propiedades. En un principio, tuvo contacto con ella sólo con fines alimenticios y de protección, y modeló las piedras para su defensa y ataque. Posteriormente, se maravilló con el descubrimiento de metales como el cobre, el oro y el estaño que trabajó con el calor de sus fogatas y que introdujo en las cavernas para darles luminosidad con su resplandor. En el Oriente, luego, el hombre incursionó en la transformación de la materia, fabricando tinturas que aplicó, por ejemplo, en los géneros. Hasta nuestros días, recordamos la figura de Demócrito, quien decía que la materia estaba formada por partículas. 13 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 El mundo que nos rodea esta formado por materia. Todo lo que tocamos, vemos o sentimos, como una piedra, el mar, la brisa, el sol, los planetas, los animales, etc.…, en todos los casos se trata de materia y la podemos definir como todo aquello que podemos percibir con nuestros sentidos, es decir, todo lo que podemos ver, oler, tocar, oír o saborear, presenta: peso, masa inercia y extensión. Por ejemplo: una flor es materia, porque ocupa un lugar en el espacio y los colores de la flor no son materia, ya que por sí mismo el color no existe, es una propiedad de la materia. Se le puede encontrar principalmente en los estados de agregación sólido, líquido y gaseoso, el plasma constituye el cuarto estado de la materia y no es muy común en nuestra vida cotidiana, pero es el más abundante en el universo. Ley de la conservación de la materia Antes de cerrar el siglo XVIII, la química ya había tenido buenos avances teóricos con Boyle y Jungius, con quienes se definió en parte el campo de la investigación de la química y se asentaron las bases conceptuales sobre la materia. Con éstos antecedentes Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) logró a su vez establecer la regularidad de las reacciones químicas. Sus experimentos planeados, siguiendo el método científico, son notables. Lavoisier, en uno e sus clásicos experimentos, hirvió agua durante 101 días y demostró que no hay formación de materia, como creían los alquimistas, y estableció así que en la naturaleza, la materia no se crea ni se pierde, sólo se transforma. Estableció así, la ley de la conservación de la materia. Clasificación de la materia Algunas formas fundamentales de clasificar y describir a la materia se basan en su estado físico (como gas, líquido, sólido, plasma) y su composición (como elemento, compuesto, mezcla). 14 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 Una de las primeras características que permiten clasificar a la materia es su composición, la materia homogénea es aquella que posee características y propiedades semejantes en todas sus partes, a simple vista no se distinguen sus partes, esta formada por una sola fase. Como materia homogénea tenemos: los elementos, los compuestos y las mezclas homogéneas (soluciones). Al hablar de materia pura nos estamos refiriendo a la composición que contiene una sustancia, entendiendo que una sustancia no es otra cosa que materia cuya composición y propiedades están definidas. Las sustancias puras pueden ser de dos tipos: elementos y compuestos, siendo ambos homogéneos ya que mantienen sus propiedades características. Un elemento es una sustancia pura que se constituye por átomos de un solo tipo y no puede descomponerse en sustancias más simples. Los elementos químicos que hasta 15 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 ahora se conocen se representan por medio de símbolos químicos dentro de la tabla periódica y su clasificación general los identifica como metales, no metales, semi- metales y gases nobles de acuerdo con sus propiedades químicas. Elementos Compuestos Metálicos No metálicos Catión Anión Molécula formada Magnesio (Mg) Oxígeno (O) Ca+2 O-2 CaO Sodio (Na) Carbono (C) H+1 Br-1 HBr Oro (Au) Flúor (F) C+4 O-2 CO2 Cobre (Cu) Hidrógeno (H) N+5 O-2 N2O5 Plata (Ag) Fósforo (P) Na+1 H-1 NaH Los compuestos son muy abundantes en la naturaleza, pero también son sintetizados en el laboratorio. Un compuesto es la unión química de dos o más elementos en una proporción definida y constante. Los compuestos pueden descomponerse en sus elementos constitutivos o sustancias simples empleando métodos químicos (ver algunos ejemplos de compuestos en la tabla anterior) Observa que para el caso de los compuestos, éstos se representan por medio de fórmulas químicas. Cuya porción mínima se denomina molécula. Es biatómica cuando esta compuesta por dos átomos y poliatómica si tiene gran número de átomos. Por otro lado siguiendo con la clasificación de la materia por su composición, las mezclas en general, se definen como el resultado de combinar dos o mas sustancias en diferentes proporciones y al combinarse conservan sus propiedades individuales, 16 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 además de tener las siguientes condiciones: • Los componentes de una mezcla deben de separarse por métodos físicos o mecánicos • Las mezclas en su formación no presentan manifestaciones energéticas Las mezclas pueden dividirse en homogéneas y heterogéneas. Las mezclas homogéneas, son aquellas en la cuales los componentes no se distinguen a simple vista y su composición es uniforme. Por ejemplo: el azúcar en agua, sal en agua, petróleo, aire, agua de mar, etc. La materia heterogénea en cambio, es aquella que presenta dos o más fases observadas a simple vista o con ayuda de instrumentos, analicemos un ejemplo: un trozo de roca de granito. A simple vista, se observa que esta constituido por cristales de diferentes sustancias, las más comunes son: cuarzo, feldespato y mica. También podemos citar las dispersiones heterogéneas como: los agregados (rocas), suspensiones (pintura de aceite), emulsiones (la crema de la leche), coloides (la clara de huevo). Si en un sistema se encuentran las fases mezcladas, se les llama dispersión, pues se encuentra siempre una fase dispersa en la otra. Por lo general, la fase que se encuentra en menor cantidad es la dispersada y la que se encuentra en mayor cantidad es la dispersante. Actividad Elabora un mapa conceptual en tu cuaderno de la clasificación de la materia (Utiliza palabras de enlace entre los conceptos). 17 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 Propiedades de la materia Las propiedades de la matera pueden ser generales o extensivas y específicas o intensivas. Las propiedades generales o extensivas, son cualidades de la materia que no dependen el tipo de sustancia, pero sí de la cantidad de que se trate. Algunos ejemplos son: inercia, peso, masa, volumen, divisibilidad. No se puede identificar a la materia por medio de éstas características. Veamos con más detalles algunos ejemplos de dichas propiedades:  Inercia: Es la tendencia de todos los cuerpos a oponerse a cambiar su estado de reposo o movimiento.  Peso: Es la fuerza con que todos los cuerpos son atraídos por la gravedad.  Masa: Es la propiedad fundamental de la materia y comprende la masa inercial y la masa gravitoria. Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo.  Volumen: Es el lugar que ocupa un cuerpo en el espacio.  Impenetrabilidad: Dos cuerpos no pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo.  Porosidad: Es el resultado de que entre molécula y molécula haya espacios intermoleculares, es decir, las moléculas no están totalmente juntas, el tamaño de los espacios esta determinado por las fuerzas de cohesión y repulsión.  Elasticidad: Es la propiedad que tienen los cuerpos de deformarse bajo la acción de una fuerza y recobrar después su forma al desaparecer la fuerza.  Temperatura: Se define como la propiedad termodinámica que gobierna el flujo de calor.  Divisibilidad: La materia puede ser dividida en porciones cada vez más pequeñas. En cambio las propiedades específicas o intensivas son particulares de cada sustancia y permiten diferenciar a un tipo de sustancia en especial con base en una serie de propiedades intrínsecas, las cuales actúan como una huella dactilar, pues no existe otra sustancia que tenga las mismas propiedades. Estas propiedades a su vez, se clasifican en físicas y químicas. Las propiedades físicas son inherentes a las sustancias, no existen cambios en su composición. Ejemplos: color, olor, sabor (a éstas propiedades se les llama organolépticas, porque son captadas por nuestros sentidos). Otras propiedades físicas son: densidad, maleabilidad, ductilidad, dureza, conductividad térmica y eléctrica, etc… Las propiedades químicas de la materia tienen que ver con la constitución íntima de sus componentes, es decir, con su estructura atómica, tales como la reactividad, 18 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 inflamabilidad, estabilidad, toxicidad. Para determinar las propiedades químicas hay que observar cambios químicos en el cual se altera la composición e identidad de la materia. Actividad En el texto siguiente se mencionan algunos aspectos del flúor. Identifica cuáles corresponden a una propiedad física y cuales a una propiedad química. El flúor es un gas de color verde amarillento, muy corrosivo y venenoso, de olor penetrante y desagradable. Es el elemento más reactivo de toda la tabla periódica. Se combina directamente, y en general de forma violenta, con la mayoría de los elementos. De ahí que alguno de los científicos que trataron de aislarlo murieron y la mayoría sufriera graves envenenamientos por flúor y sus compuestos. En todo caso, este elemento es nocivo siempre y cuando se encuentre en grandes cantidades. En pequeñas porciones, por ejemplo la que se encuentra en las pastas dentales, es benéfico. Propiedad física Propiedad química Actividad Investiga bibliográficamente o en Internet las propiedades físicas y químicas de : 1. El agua 2. El aluminio 3. El alcohol 4. El aire 5. El petróleo Cambios de la materia 19 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 El que una sustancia sea un sólido, un líquido o un gas, a la misma temperatura, depende de la intensidad de las fuerzas de atracción entre las partículas que la forman, la sal a temperatura ambiente es sólida, porque las fuerzas entre iones que la componen son muy grandes. Las fuerzas de atracción entre moléculas de agua no son tan elevadas y por ello el agua a la misma temperatura es un líquido. En el oxígeno, las fuerzas entre las moléculas, son casi nulas, lo que hace que puedan moverse libremente formando un gas, pero, al aumentar la temperatura de una sustancia, el movimiento de sus moléculas se hace cada vez más rápido, es decir, las mismas fuerzas que mantienen unidas a las partículas de un sólido, por ejemplo, pueden no resultar suficientemente grandes a una temperatura mayor, y la sustancia puede transformarse entonces en un líquido o en un gas. Para entender los cambios de estado o de fase es necesario conocer los factores vinculados a ellos: la temperatura y la presión. Temperatura: Es una medida de la cantidad de calor que contiene un cuerpo. Entre más alta sea la temperatura, más rápido se mueven las partículas que forman el cuerpo. Los valores de temperatura a que se producen los cambios de fase reciben los nombres de puntos de fusión, ebullición, condensación y licuefacción. Presión: Se define como la fuerza aplicada sobre un área determinada de un cuerpo. Si ésta se incrementa, las partículas de la materia se acercan unas a otras, es decir, se incrementa la fuerza de cohesión entre ellas; por ejemplo: los gases pueden convertirse en líquidos si son sometidos a altas presiones. Los cambios de estado o de fase pueden provocarse si se proporciona calor a la materia a presión constante. Esta presión constante coincide, generalmente, con la presión atmosférica. El calor suministrado a una muestra de materia eleva la temperatura de ésta hasta que alcanza el punto de cambio de fase; en ese momento la temperatura de la muestra deja de aumentar y la energía calorífica se utiliza para el cambio de fase. Los cambios de estado son una transición de un estado a otro (sólido-líquido-gaseoso) sin alterar la composición íntima de la materia en cuestión, y esto se logra aumentando o disminuyendo la temperatura o la presión. 20 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 A continuación se describen los cambios de fase: Fusión: cambio de sólido a líquido; calentando el sólido éste se funde. Evaporación: un líquido se calienta para convertirlo en gas. Sublimación: conversión directa de un sólido al estado gaseoso sin pasar por el líquido, al calentar el sólido. Deposición a sublimación inversa: cambio de gas a sólido sin pasar por el líquido, al bajar la temperatura. Solidificación: es el paso del estado líquido al sólido, al enfriar dicho líquido. Licuefacción o condensación: paso del estado gaseoso al líquido; se consigue al bajar la temperatura y al mismo bajar la presión del gas. Estados de la materia Un elemento o un compuesto químico pueden presentarse en tres formas distintas: en estado sólido, líquido o gaseoso. Todos sabemos que, por ejemplo el agua a temperatura ambiente esta en estado líquido, se solidifica al enfriarla, formando hielo o nieve, y que al calentarla se vaporiza y forma vapor de agua. Otras muchas sustancias químicas pueden existir en cualquiera de los tres estados, aunque de ordinario consideremos una sustancia como un líquido, un sólido o un gas, según la forma en que se presenta a temperatura y presión ambientes. Las partículas que componen una sustancia química (átomos, iones o moléculas) se encuentran unidas entre si por fuerzas de atracción mutua. La naturaleza de estas fuerzas, llamadas de “cohesión”, puede ser de diferentes tipos. La intensidad de la fuerza de atracción entre dos moléculas, varía mucho, pero en cualquier caso, siempre es bastante menor que la de las que unen a los propios átomos dentro de la molécula. 21 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 A pesar de éstas fuerzas de cohesión, las moléculas (o átomos) que forman cualquier sustancia, sea líquida, sólida o gaseosa, están moviéndose continuamente. El calor no es otra cosa que una expresión de ese movimiento de partículas, ya que cuando calentamos un objeto, la energía absorbida hace que el movimiento de sus partículas sea más rápido, es decir, se almacena en forma de energía cinética de las partículas. La diferencia entre, por ejemplo, un trozo de hierro frío y otro caliente no es que una mayor velocidad en el movimiento de los átomos que lo componen. 22 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 Características de los estados físicos de agregación Sólido Líquido Gaseoso Forma Tienen forma propia Adoptan la forma Carecen de forma del recipiente Volumen Tienen volumen Definido Indefinido propio Compresión No pueden No se pueden Son compresibles comprimirse comprimir Fuerzas inter Predomina las Las fuerzas de Predomina la -moleculares fuerzas de atracción atracción son tan repulsión débiles que pueden fluir Actividad De la siguiente tabla indica en que estado de agregación se encuentran los objetos y sustancias destacados en las siguientes frases. Objetos y sustancias Estado de agregación El CO2 que exhalamos El agua que consumimos El vinagre que se le adiciona a las ensaladas La suspensión empleada para infección intestinal Un café capuchino que consumimos Los contaminantes que se encuentran en el aire El grafito que contienen los lápices 23 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 Actividad Escribe dentro del paréntesis que se localiza a la izquierda la letra S, si la proposición se refiere al estado sólido, una L si se trata del estado líquido o una G si es un gas. ( ) Tienen forma y volumen definido. ( ) Su energía cinética o de movimiento es intermedia. ( ) Sus partículas se mueven independiente y de forma desordenada. ( ) Poseen volumen definido, pero carecen de forma definida. ( ) El movimiento de sus moléculas es de tipo vibratorio. ( ) Los espacios intermoleculares son muy grandes. Separación de mezclas De acuerdo a lo abordado en esta unidad, las mezclas son el resultado de la unión física de dos o más sustancias, las cuales conservan sus propiedades originales. La composición de las mezclas es variable y las sustancias que las constituyen, siempre podrán separarse por medios físicos o mecánicos. La separación de mezclas, es un trabajo fundamental en el nivel industrial o en el laboratorio para obtener, después de un proceso químico, las sustancias en estado puro. En nuestra vida diaria es común utilizar algún método de separación de mezclas, por ejemplo al filtrar café, lavar granos como de de frijol, arroz., al utilizar un colador, etc.… Las propiedades físicas más importantes para separar las mezclas son: el estado de agregación, la solubilidad el punto de ebullición y la densidad. Es importante conocer el tipo de mezcla a separar, si es homogénea o heterogénea, para seleccionar el método más apropiado. Algunos métodos de separación son: la decantación, la cristalización, la filtración, la evaporación, la destilación, la separación de líquidos no miscibles, la cromatografía, el tamizado, la centrifugación, la digestión, la lixiviación y otras. Separación de mezclas líquidas y heterogéneas: Son utilizadas las técnicas de: 24 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1  Decantación o sedimentación: Consiste en dejar asentar o precipitar una fase (sólido o líquido), por efecto de la diferencia en sus densidades y verter la fase sobrenadante (líquido) en otro recipiente, con la ayuda de un agitador o varilla de vidrio. Se considera una etapa previa a la técnica de filtración y centrifugación, si la fase asentada es un sólido, ya que no es muy perfecta la separación lograda.  Filtración: Es el procedimiento utilizado para separar las sustancias sólidas que se encuentran mezcladas con un líquido. La filtración se basa en el hecho de que ciertos papeles especiales, como el papel filtro, permitan el paso de los líquidos, pero no el de los sólidos. Ejemplo: si se vierte una mezcla de agua y arena sobre un trozo de papel filtro, previamente colocado en un embudo, el agua pasará a través del papel, pero el arena será retenida.  Embudo de separación: Mediante éste método se pueden separa mezclas heterogéneas formadas por dos líquidos inmiscibles (no forman una solución), como en el caso del aceite y el agua; también para extraer un sólido de una mezcla por diferencia de solubilidad. Una llave ubicada en la parte inferior del filtro permite controlar la salida del líquido de mayor densidad. 25 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1  Sublimación: Es un método para separar los componentes de un a mezcla heterogénea constituida por dos sólidos. Para llevar a cabo este proceso es indispensable que una de las dos sustancias sublime, es decir, se convierta de sólido a gas, sin pasar por estado líquido, como el yodo. Separación de mezclas homogéneas Estos métodos de separación se utilizan cuando tenemos la mezcla de dos o más sustancias que son solubles entre sí, ya sea la mezcla homogénea de un sólido en un líquido o de un líquido en un líquido. Algunos ejemplos comunes son:  Evaporación: Mediante éste método se separan mezclas homogéneas formadas por un sólido soluble y no volátil en un líquido evaporable, por ejemplo, sales iónicas en agua (NaCl en H2O). 26 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1  Destilación: Es el procedimiento utilizado para separar dos líquidos que se encuentran disueltos. Este procedimiento se basa en el hecho de que no todos los líquidos tienen el mismo punto de ebullición. Si tenemos una mezcla de alcohol con agua, y la calentamos, primero se evaporará el alcohol, ya que su punto de ebullición 70ºC, es menor que el del agua. Si este vapor se recoge y se enfría, obtendremos alcohol puro. Esta operación puede repetirse para asegurarse de que no se recogió algo de vapor de agua.  Cristalización: Es un método de purificación que permite separa los sólidos de mezclas homogéneas y heterogéneas, ya sean sólidas o líquidas. Este método se basa en la solubilidad que tienen los sólidos en los disolventes a diferentes temperaturas  Empleo de disolventes: Este método consiste en aprovechar el hecho de que algunas sustancias son solubles en determinados solventes, mientras que otras no se disuelven en dichos disolventes. Por ejemplo: el pigmento verde de las hojas se puede extraer con alcohol caliente, pues dicho pigmento es soluble en este líquido, mientras que otros componentes de esta hoja, como el almidón no se disuelve en alcohol. Actividad En el proceso de potabilización del agua, existen varias etapas, entre las cuales hay algunas que utilizan métodos de separación físicas de componentes no deseables. Consultar en que consiste el proceso de potabilización del agua y cuáles son esas etapas. 27 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

La materia y los fenómenos naturales Química 1 Actividad Qué método de separación se emplea para separar un: a) ¿Sólido insoluble de un líquido? ____________________________________ b) ¿Sólido disuelto en un líquido?______________________________________ c) ¿Dos líquidos miscibles?___________________________________________ d) ¿Dos líquidos inmiscibles?_________________________________________ 28 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”

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by Colegio Americano de san Carlos

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