Estados de la materia

La materia puede existir en cualquiera de los tres estados: sólido, líquido o gaseoso.

Solidos. Observa un cuerpo en estado sólido, como la carpeta o el lápiz. ¿Qué conclusión sacas acerca de su forma y volumen? ¿Son definidos? ¿Son rígidos o cambian de forma fácilmente como los líquidos?  Los sólidos se caracterizan porque conservan su forma y su volumen.

Líquidos. Observa el agua en un vaso, transvásala a otro vaso de forma diferente. ¿Qué conclusión obtienes acerca de su forma? ¿Es fija o cambia con la forma del recipiente?

La conservación del volumen, pero no de la forma es lo que caracteriza a los líquidos.

Gases. Sumerge rápidamente un vaso por su lado abierto dentro de un recipiente con agua. ¿Qué impide que entre el agua al vaso? Repite el experimento empleando una botella.

Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y llena completamente su volumen. No conserva ni su forma ni su volumen.

A diferencia de los gases, los sólidos y los líquidos son prácticamente incomprensibles.

Cambios de estado. Es posible cambiar el estado de un cuerpo variando su temperatura.  El agua que es un líquido a temperatura ambiente, se convierte en hielo al enfriarla en una refrigeradora por debajo de 0ᵒ.  Si al hielo se le saca de la refrigeradora su temperatura sube y vuelve al estado líquido, si se calienta el agua líquida al llegar a cierta temperatura pasa al estado gaseoso (vapor).  Al enfriarse el vapor regresa al estado líquido.

El pase de un sólido a líquido se llama fusión y el cambio contrario es la solidificación.  Cuando un líquido se convierte en gas, el cambio se ¡lama evaporación.  La conversión de un gas en un líquido es denomina condensación.  El paso directo de sólido a gas es la sublimación.

La presión también influye en los cambios de estado, especialmente los que sufren los líquidos y gases.

Tipos de sólidos. - Cristalinos y Amorfos. Cuando un sólido posee sus partículas individuales dispuestas de una manera muy ordenada, se denomina sólido cristalino.  Este tipo de sólido posee forma geométrica y un punto de fusión bien definido.

En 1912, Max von Laue descubrió que la disposición de las partículas en un sólido podía determinarse mediante los rayos X.  Cuando las partículas de un sólido no se encuentran dispuestas de una manera ordenada, se trata de un sólido amorfo.  Esto sucede en el vidrio y la parafina.  Su estructura interna es parecida a la de los líquidos: totalmente irregular.  Los sólidos amorfos no poseen un punto de fusión claramente definido.

La mayoría de los sólidos son cristalizados.

Cuando se divide la materia en partículas pequeñas y se distribuye o dispersa en algún medio material se dice que se encuentra en estado de dispersión.

Clases de dispersiones. Las soluciones, los coloides y las suspensiones son tres clases de dispersiones.  La diferencia entre ellas reside fundamentalmente en el grado de subdivisión o sea del tamaño de las partículas dispersas.

Soluciones. Son dispersiones de moléculas de una sustancia en otra.

Coloides. Son dispersiones de partículas cuyo tamaño oscila entre una diezmilésima y una diezmillonésima de centímetro.

Suspensiones. Son dispersiones de partículas mayores de una diezmilésima de centímetro.

El estado coloidal. La gelatina, la goma, el engrudo del almidón, la albúmina y todos los seres vivos son coloides, esto es dispersiones muy finas de diferentes sustancias.

El protoplasma la materia básica de la vida y todos los tejidos vivos son coloides, de ahí que los fenómenos químicos de los seres vivos deben interpretarse en función de la química coloidal.  Los suelos o tierras para la agricultura se componen en parte de materia coloidal, por lo tanto, la ciencia agrícola no puede ignorar este estado de la materia.  En la industria de pinturas, cerámica, plásticos, textiles, papel, colas, tintas, películas fotográficas, adhesivos, lubricantes, insecticidas, detergentes, jabones, gelatinas, mantequilla, queso y otros productos alimenticios tiene gran importancia la ciencia de los coloides.

La espuma es una dispersión coloidal de gas en líquido. También son dispersiones coloidales: la niebla (de líquido en gas), las emulsiones (de líquidos en líquidos), las perlas (de líquidos en sólidos), el humo (de sólido en gas), las aleaciones (de sólidos en sólidos), las gelatinas (de sólidos en líquidos).

Propiedades características. 1) Atraviesan el papel del filtro (pero ciertas membranas de naturaleza coloidal como el celofán las retienen, lo que no hacen con las moléculas.

2) Dispersan la luz haciendo el rayo lateralmente visible (efecto de Tyndall).  Este fenómeno ocurre con la luz de un automóvil en la neblina.

Constitución. Las partículas coloidales son generalmente agrupaciones de cientos o miles de moléculas. Los virus que producen enfermedades como el sarampión, el resfrió, la poliomielitis, son moléculas gigantes que han podido observarse directamente con el microscopio electrónico.

Emulsiones. Son dispersiones coloidales de dos líquidos inmiscibles como aceite y agua.  Las emulsiones son poco estables a menos que se le agregue un agente emulsificante.  Estos son sustancias con afinidad por ambos líquidos y actúan comoadherentes entre ellos el jabón, por Ejemplo, es emulsificante de una mezcla de querosene disperso en agua.  La leche es una emulsión de glóbulos de grasa en agua sirviendo de agente emulsificante la caseína.  La mayonesa es una emulsión de aceite y agua y la yema de huevo es el emulsificante.

Propiedades de la materia. Masa y Volumen. La cantidad de materia que posee un cuerpo se conoce como su masa.  Directamente no se puede medir la masa, se determina su peso o sea la fuerza con la cual es atraída la masa del cuerpo por la masa de la tierra.

Como la masa de la tierra es constante, la intensidad de la atracción será proporcional a la masa atraída, es decir que a medida que sean mayores las masas de los cuerpos mayor será la fuerza de atracción terrestre (fuerza de gravedad) y, por tanto, sus pesos también serán mayores.  Concluimos entonces afirmando que masas y pesos son directamente proporcionales.

La masa es una propiedad invariable de los cuerpos, en tanto que el peso cambia levemente según la latitud.  A medida que un cuerpo se aleja de la tierra su peso disminuye porque la atracción terrestre se hace menor.

Los instrumentos que se utilizan para determinar comparativamente las masas de los cuerpos se llaman balanzas y el procedimiento de pesar (comparar masas) se denomina pesada.  La masa que se ha escogido convencionalmente como patrón se llama kilogramo y es equivalente a la contenida en un litro de agua destilada a la temperatura de 4°C.

El espacio que ocupa una porción de materia (cuerpo) constituye su volumen y representa también una propiedad característica de cada cuerpo en particular.  El volumen de los líquidos se determina mediante recipientes graduados en mililitros (ml.) o en cc. unidades de capacidad y volumen que en la práctica se consideran equivalentes

El volumen de los sólidos, si son regulares, se calcula matemáticamente:

Volumen = largo por ancho por alto.

V = 0,80 m por 0,20 m por 0,10

V = 0,016 m3 = 16 dm3 = 16 Its

Si el sólido es irregular su volumen se determina introduciéndolo en un, líquido, previamente medido, en el cual no se disuelva, y la variación del volumen es igual al volumen del sólido irregular.

La densidad. Comparando trozos de materiales diferentes (mármol y Pb) con la misma masa y el mismo volumen, nos daremos cuenta de que estas propiedades fundamentales de la materia aparentemente no nos son útiles cuando se trata de diferenciar dos porciones distintas de materia como lo son el mármol y el plomo.

Pero si tomamos muestras diferentes de cada material y les determinamos su masa y su volumen, hallaremos que existe cierta relación entre esos valores ya que a mayor masa corresponde un volumen también mayor.

La relación masa/volumen recibe el nombre de densidad y es una propiedad característica de cada material, no de cada porción de materia (cuerpo).  Con seguridad diferenciamos dos materiales, aunque su aspecto exterior sea semejante, si averiguamos sus respectivas densidades.

Noción de energía. Si observamos los pupitres dispuestos en el salón de clases, veremos que el conjunto tiene una distribución regular y cada uno en particular un sitio determinado.  Si se desea cambiar de puesto a uno de ellos habremos de levantarlo y transportarlo hasta su nueva colocación o empujarlo y rodarlo por el piso con estruendo (que es lo que ordinariamente ocurre para desagrado de los otros alumnos y el profesor).  Para desplazar el pupitre de un punto a otro hubimos de aplicar una fuerza, cuya magnitud está en función de la masa del objeto y de la distancia que recorre.  Si al pupitre le aplicamos la fuerza F y lo trasladamos a través de una distancia d, se ha efectuado un trabajo de allí tenemos la igualdad:

trabajo = fuerza x distancia o W = F . d

Nos preguntamos si tan poca cosa como rodar un pupitre es un trabajo.

Evidentemente que desplazar un pupitre representa poco trabajo y el esfuerzo no se “siente”; pero si nos ordenaran cambiar de sitio a todos los pupitres del salón indudablemente sí sentiríamos las consecuencias del trabajo realizado, ya que la suma de los pequeños trabajos realizados alcanza una magnitud considerable en relación a nuestra capacidad física.  Hemos aplicado una fuerza y efectuado un trabajo, el resultado final ha sido la nueva posición que adquirió el pupitre.  Para que llegara hasta allí el trabajo se empleó en hacer adquirir al objeto cierta velocidad para que se desplazara.  El valor medio de la cantidad de movimiento (masa por velocidad) es lo que se conoce como energía de movimiento o energía cinética (m.v/2).

Aceptamos que el trabajo se transformó en energía cinética.  Si ésta se conservase inalterable habríamos de considerar la posibilidad de que con un sólo empujón el objeto se desplazará indefinidamente y esto es claro que no ocurre.  En primer lugar, hay que tener presente el efecto del roce o fricción, que se traduce en calor y representa una conversión de parte de la energía cinética y en segundo lugar que el objeto adquiere en su ubicación final una energía de posición igual o diferente a la que tenía al principio.

Es difícil imaginar que un objeto posea grados diferentes de energía posicional o energía potencial cuando se le ha desplazado sobre una superficie plana.  Si el desplazamiento ocurre sobre un plano inclinado comprenderemos con mayor facilidad las diferencias energéticas en distintos puntos del recorrido.

Hemos hecho referencia a la energía potencial como una forma de energía acumulada y a la energía cinética que se pone de manifiesto en el movimiento.  También insistimos en que ambas formas de energía son interconvertibles y esto constituye uno de los principios generales más importantes de nuestro mundo físico: la energía no se pierde, sino que se transforma. Este principio es conocido como ley de la conservación de la energía.