Cátedra de química – 3er año H&CS
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Cátedra de QUÍMICA – 3er año H&CS Profesor Oscar Daniel Alarcón PROPIEDADES DE LA MATERIA A. INTRODUCCIÓN Todo lo que nos rodea está formado por materia. Estudiaremos a lo largo de la Unidad las propiedades generales (extensivas) de la materia (masa, peso y volumen) y algunas específicas (intensivas), haciendo hincapié en la densidad. Nos centraremos en el significado de estos conceptos, su medida y aplicaciones a ejemplos de la vida cotidiana. B. ACERCA DE LOS ATRIBUTOS DE LA MATERIA MATERIA es todo lo que tiene masa y ocupa un volumen, es decir ocupa lugar en el espacio en que vivimos; habitamos un mundo materia que ya hemos convenido en llamar UNIVERSO FISICO. Son materia las tizas y el pizarrón, un libro, una lapicera, etc. y no son lo son la bondad, belleza, la alegría, el color, etc. Decir materia es hablar de algo muy vasto por lo tanto para acceder al estudio de sus propiedades, la materia debe dividirse en porciones con límites definidos, porciones que tienen principio y final, esas porciones se conocen como CUERPOS. Los cuerpos son entonces porciones limitadas de materia. Los cuerpos están formados por distintos tipos de materia a los que llamamos SUSTANCIAS. Hay determinadas magnitudes físicas que NO permiten diferenciar unas sustancias de otras y por ello se les llama PROPIEDADES GENERALES de la materia. Es el caso de la masa, el peso y el volumen. Se clasifican dentro de las PROPIEDADES EXTENSIVAS de la materia, es decir aquellas que dependen del tamaño del cuerpo en cuestión. Para distinguir unas sustancias de otras hay que recurrir a las PROPIEDADES ESPECÍFICAS, que sí son propias de cada sustancia. Se conocen también como PROPIEDADES INTENSIVAS ya que no dependen del tamaño del cuerpo. Entre ellas podemos citar la densidad, la consistencia, el punto de fusión, el de ebullición, etc. Cabe mencionar que para poder identificar una sustancia, en la mayoría de los casos hay que recurrir al estudio de más de una propiedad específica. 1. PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA: 1.1. VOLUMEN: Se relaciona con el espacio que ocupa un sistema material, sea sólido, líquido o gas. La unidad de volumen en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m3), aunque en el caso de fluidos (líquidos y gases) suele emplearse el litro, que se define como la cantidad de fluido capaz de llenar completamente un cubo regular de 1 dm de arista. Las equivalencias entre estas unidades son:  1 dm3 = 1 litro = 10-3 m3 = 103 cm3 La medida de volúmenes es una técnica habitual en los laboratorios. A continuación estudiaremos la medida de volúmenes de sólidos, líquidos y gases. En la MEDIDA DE VOLÚMENES DE SÓLIDOS, recordar que tienen tanto forma como volumen propios y distinguiremos entre: - Sólidos con forma geométrica regular (esferas, cilindros, prismas, etc): En estos casos recurriremos a las fórmulas matemáticas conocidas para el cálculo de volúmenes o sea que solo se medirán longitudes (diámetros, alturas, radios, etc.) - Sólidos con morfología irregular: usaremos el método de inmersión, que consiste en tomar un determinado volumen conocido en una probeta. Introducimos el sólido irregular en la probeta con precaución y calculamos el volumen del sólido por diferencia: el volumen del cuerpo será igual al volumen del líquido desplazado. Los VOLÚMENES DE LÍQUIDOS se miden fácilmente debido a la propiedad que presentan de adoptar la forma del recipiente que los contiene. Entre los instrumentos de laboratorio más utilizados para medir volúmenes de líquidos destacamos: * BURETAS: se emplean para transferir volúmenes variables de líquidos con precisión, controlándose la salida del líquido mediante una llave. Su uso más extendido lo encontramos en las titulaciones (determinación de concentraciones de disoluciones). * PIPETAS: se usan para transferir pequeñas cantidades de líquido con precisión. * PROBETAS: se utilizan para medir volúmenes de líquidos con menor precisión. Son recipientes de vidrio transparente graduados tal como se muestran en las figuras adjuntas: PROBETA PIPETA BURETA  Ejemplo: Expresar la sensibilidad y capacidad de cada uno de los tres instrumentos anteriores.
Hay que tener cuidado en la lectura del volumen de un líquido concreto al usar cualquiera de los citados instrumentos. Debe coincidir el fondo del menisco con la marca correspondiente al volumen deseado. Debemos mirar el enrase en posición horizontal, pues de lo contrario estaríamos midiendo de forma errónea. Ejemplo: Describa brevemente los siguientes instrumentos de laboratorio:
Vaso de precipitado: usado para contener líquidos u otras sustancias, para disolver algunos productos e incluso pueden llevarse a cabo en él reacciones químicas. Mortero: empleado para triturar sólidos y así disminuir el tamaño de partículas. Matraz aforado: utilizado para guardar las disoluciones preparadas. Erlenmeyer: usado para contener líquidos o disoluciones. Cerrados con un tapón adecuado podemos conservar un producto volátil. Muy empleado en valoraciones. Ejemplo. ¿Cómo calcularía el agua contenida en un depósito de agua potable?. Suponga que es de forma cilíndrica. Mediría la altura del agua contenida en dicho recipiente y el radio del cilindro. Aplicaría la fórmula correspondiente al volumen de un cilindro, es decir: V= îì.r2.h MEDIDA DE VOLÚMENES DE GASES: Los gases no tienen ni volumen ni forma propios, ocupando todo el recipiente que los contiene. En general los sólidos y líquidos experimentan una pequeña dilatación al aumentar la temperatura y las presiones les afectan menos. Sin embargo en el caso de los gases el volumen va a depender de las condiciones de presión y temperatura de forma mucho más acusada que en los sólidos y líquidos. Por ello no nos detendremos en su estudio. Como actividad práctica opcional podemos plantear con ayuda del profesor, el diseño teórico de una pequeña experiencia para medir el volumen de un gas que se desprende en una determinada reacción química. Actividad. Habitualmente las sustancias gaseosas se miden en volúmenes. ¿Conoce algún caso muy familiar en el que se venden gases licuados y puedan medirse en kilogramos?. 1.2 MASA: es una propiedad general de la materia que se define como la cantidad de materia que tiene un cuerpo. La unidad de masa en el S.I.M.E.L.A. es el kilogramo (kg). Los instrumentos empleados para medir masas son las BALANZAS. Existen distintos tipos de balanzas como las balanzas granatarias, balanzas de precisión, balanzas automáticas; etc. La masa de un cuerpo es siempre la misma aunque cambie su forma o el lugar donde se encuentre, mientras que el volumen hemos visto que depende de muchos factores como la temperatura, presión, estado físico del sistema. Ejemplo ¿ Cómo mediría la masa de un folio en una balanza de las que habitualmente se usaban en las tiendas?. Dispone de 500 folios. Calcularía la masa de los 500 folios y dividiría el valor entre 500 para así saber la masa de un folio. A través de las siguientes experiencias vamos a poner de manifiesto la LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA (Lavoisier) que se puede enunciar como sigue: "En una reacción química la masa de los reactivos que intervienen es igual a la masa de los productos que se forman". Ejemplo . Tomamos ciertas cantidades de nitrato de plomo y de yoduro potásico. Los disolvemos por separado y los vertemos cada uno de ellos en un tubo de ensayo. Pesamos el contenido del conjunto y lo anotamos. A continuación transferimos el contenido de un tubo de ensayo en el otro. Se forma un precipitado amarillo muy llamativo. Pesamos de nuevo el conjunto. ¿Se cumple el principio de conservación de la masa?. Sí se cumple el principio de conservación de la masa. Vemos que la lectura de la balanza de la figura es en ambos casos de 87,56 gramos. RELACIÓN ENTRE MASA Y PESO: El PESO se define como la fuerza con que la Tierra atrae a un determinado cuerpo. Es una fuerza y por tanto una magnitud vectorial cuyo módulo estudiaremos a continuación, dirección la línea que une el centro de gravedad del cuerpo con el centro de la Tierra y sentido siempre hacia el centro de la Tierra. El PESO es una Fuerza. Las fuerzas son magnitudes vectoriales (aparte de la escala requieren otros componentes como dirección, sentido y punto de aplicación) que modifican el estado de reposo o movimiento de los cuerpos o bien su forma. Cuando un cuerpo de masa m está en reposo y aplicamos sobre él una fuerza F decimos que ésta es igual al producto de la masa del cuerpo por la aceleración que éste adquiere. F=m.a ¿En qué unidades se miden las Fuerzas? En el sistema MKS la unidad de fuerzas es el Newton (N). Definimos el N como la cantidad de fuerza necesaria para que un cuerpo de 1 kg de masa adquiera una aceleración a= 1 m/s2. O sea que: N = kg.m/s2 Para estudiar la relación que existe entre la masa y el peso, fijémonos en la siguiente experiencia: haciendo uso de un dinamómetro determinamos el peso de distintas masas conocidas, obteniendo los resultados que aparecen en la tabla adjunta. Representamos gráficamente Peso (N)-masa (kg) :  Como vemos es una línea recta y por tanto masa y Peso son magnitudes directamente proporcionales. La relación matemática entre ambas variables viene dada por: P  = m . g"g" (también vectorial) es la aceleración de la gravedad. Su valor no es constante, ya que depende de la distancia que separe el cuerpo al centro de la Tierra. A nivel del mar y latitud 45º su valor es 9,8 m/s2, que es el valor con el que trabajaremos habitualmente. La masa de un cuerpo es siempre la misma y su peso varía dependiendo del lugar donde se encuentre. Ahora ¿podrías calcular tu propio Peso? 2. PROPIEDADES ESPECÍFICAS (Intensivas) DE LA MATERIA: 2.1. DENSIDAD Antes de definirla, reflexionemos sobre la siguiente actividad: tenemos cuatro fragmentos de un mineral y hemos medido la masa y el volumen de cada uno de ellos, obteniéndose la tabla de valores que se adjunta.  Al representar m-V observamos que existe una proporcionalidad directa entre la masa y el volumen, tal como muestra la representación gráfica adjunta. Por ello la densidad se define como la masa por unidad de volumen. Densidad (d)= masa (m) / volumen (V) La unidad de densidad en el SIMELA es el kg/m3, aunque se usa con más frecuencia g/cm3. La densidad de los gases suele expresarse en g/l. Para medir la densidad de un líquido se emplea un DENSÍMETRO. Los densímetros son unos flotadores graduados de vidrio que llevan en su parte inferior un lastre de perdigones para que floten verticalmente, un bulbo de aire en la parte media y una escala en la parte superior. Para medir la densidad de un sólido no podemos emplear el densímetro. En este caso debemos medir la masa y el volumen del sólido y a partir de ellos calcular la densidad. El volumen de los sólidos y líquidos varía poco con la temperatura y presión y por ello la densidad no depende mucho de estos factores. Sin embargo en los gases las variaciones son más acusadas y hay que tenerlo en cuenta. En la siguiente tabla podemos apreciar algunos valores de densidades medidas a 20 ºC expresadas en g/cm3:
La densidad de algunos gases a T= 0 ºC y P= 1 atm:
Generalmente d sólidos > d líquidos > d gases. La densidad de las sustancias aumenta con la T. Sin embargo el agua presenta una excepción en el sentido que su densidad disminuye cuando aumenta la T entre 0 y 4 ºC. Ejemplo: Llenamos dos vasos de precipitado de 100 ml con gasolina el primero y con leche el segundo. ¿Cuál de los dos vasos pesará más?. ¿Qué sustancia ocupará más volumen? Consulte en la tabla las densidades de la gasolina y de la leche. Masa vaso A (GASOLINA) = Masa vaso + Masa gasolina Masa gasolina = dgasolina . V = 0,68 g/ml . 100 ml = 68 g Masa vaso B (LECHE) = Masa vaso + Masa leche Masa leche = dleche . V = 1,03 g/ml . 100 ml = 103 g Como las masas de los vasos son iguales, pesará más el vaso de precipitado que contiene leche. Ocuparán el mismo volumen (100 ml). Ejemplo: En la final de waterpolo de los últimos Juegos Olímpicos se entregaron a los componentes del equipo español unas medallas de oro circulares de 50 mm de diámetro y 5 mm de espesor. Las medallas tenían una masa de 0,185 gramos. ¿Eran de oro puro?. Razone la respuesta teniendo en cuenta que la densidad del oro es de 18,9 Kg/m3. El volumen de las medallas se calcula de acuerdo a la expresión Pi .r2.h, siendo r el radio y h el espesor. Expresando todas las unidades en el S.I.M.E.L.A. y operando: Vmoneda = 3,14.(25 10-3)2 m2.5 10-3 m = 9,81 10-6 m3 Como sabemos la masa (185 g), podemos calcular su densidad: d = m/V = 1,85 10-4 Kg/ 9,81 10-6 m3 = 18,86 kg/m3 Como la densidad del oro es de 18,9 kg/m3, podemos decir que las medallas eran de oro. Para determinar si una sustancia FLOTA en otra debemos recurrir a los valores de densidades de ambas sustancias, de tal forma que los cuerpos menos densos flotan sobre los más densos. Ejemplo: Si en una probeta dada introducimos 100 g de mercurio, 10 ml de aceite y 20 ml de agua, calcule la masa total del sistema y el volumen que ocupará. La masa total del sistema será la suma de la masa de mercurio + masa de aceite + masa de agua. La masa de mercurio es de 100 g. Las masas de aceite y de agua se calculan como siguen: Masa aceite = V aceite . d aceite = 10 ml . 0,92 g/ml = 9,2 g Masa agua = V agua . d agua = 20 ml . 1 g/ml = 20 g La masa total será 129,2 g. El volumen total del sistema será la suma del volumen de mercurio + volumen de agua + volumen de aceite. Los volúmenes de agua y aceite son respectivamente 20 y 10 ml. El volumen de mercurio es de 7,35 ml. Por tanto el volumen total es de 37,35 ml. Ejemplo: Tenemos una tiza de forma cúbica de arista 2 cm. La masa es de 6 gramos. ¿Cuál será el volumen de la tiza expresado en m3 y la densidad de la misma en g/cm3?. ¿Flotará en agua?. Si la partimos en 4 fragmentos iguales, ¿se modifica la masa, el volumen y la densidad?. Razone la respuesta. El volumen de la tiza es V= a3= (0,02 m)3= 8 10-6 m3 La densidad d= m/V = 0,75 g/cm3 Como la densidad de la tiza es menor que la densidad del agua, la tiza flotará en agua. Al partirla en fragmentos se modificará tanto la masa como el volumen, pero no la densidad. Ejemplo: Llenamos con 1450 ml de agua una botella de 1,5 litros de capacidad y la metemos en el congelador de la nevera. ¿Se rompe la botella al congelarse el agua teniendo en cuenta que la densidad del hielo es de 900 kg/m3?. La masa de agua líquida será: M = V . d = 1450.10-6 m3 . 103 kg/m3= 1,450 kg La masa de agua no varía, sin embargo el volumen sí. El nuevo volumen será de 1,61 litros. Por tanto, la botella no puede contener ese volumen y se rompe. 2.2. OTRAS PROPIEDADES de la materia que vamos a definir brevemente a continuación:
Podemos hablar de otras muchas propiedades específicas como el color, conductividad, solubilidad, etc. |
