Clases de materia y propiedades físicas y químicas de las sustancias PDF

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Resumen sobre clases de materia y propiedades físicas y químicas de las sustancias...

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Química general e Inorgánica

Clases de materia Primeramente se hará distinción entre Objetos y clases de materia. Un objeto tal como un ser humano, una Mesa, un tirador de latón de una puerta, puede estar hecho de una o de varias clases de materia. El químico se interesa principalmente 10 por los objetos en sí, sino por las clases de materia de que están compuestos. Estudia la aleación latón, ya sea en un tirador de una puerta o en cualquier otro objeto; y su interés es ante todo para aquellas propiedades de la materia que son independientes de la naturaleza de los objetos que la contienen. Las siguientes proposiciones indican el uso aceptado científicamente de las palabras que designan las diferentes clases de materia. Materiales: La palabra material se emplea al hacer referencia a cualquier clase de materia, homogénea o heterogénea. Un material heterogéneo es el que consta de partes que poseen propiedades diferentes. Un material homogéneo tiene todo él las mismas propiedades. La madera, con anillos alternativos blandos y duros, es evidentemente un material heterogéneo, así como el granito, en el cual pueden verse granos de tres especies diferentes de materia (los minerales cuarzo, mica y feldespato). Sustancias: Una sustancia es una especie de materia homogénea, de composición química definida. La sal, el azúcar, el hierro, el cobre, el azufre, el agua, el oxígeno y el hidrógeno, todos ellos en estado de pureza, son representativos de las sustancias. Por otra parte, una disolución de azúcar en agua no es una sustancia, según esta definición; es evidentemente homogénea, pero no satisface la segunda parte de la definición anterior, ya que su composición no es fija, sino que es extensamente variable, estando determinada por la cantidad de azúcar que se ha disuelto en un volumen dado de agua. Análogamente, el oro de un anillo o de un reloj de bolsillo

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no es una sustancia pura, aunque, sin embargo, es homogénea aparentemente. Es una aleación de oro con otros metales, por lo general cobre, y está formada por una disolución cristalina de cobre en oro. La palabra aleación se emplea referida a un material metálico que contiene dos o más elementos; algunas aleaciones son sustancias (compuestos intermetálicos), pero la mayoría de ellas son disoluciones o mezclas cristalinas. A veces (como en la primera sección de este capítulo), la palabra sustancia se emplea con un sentido más amplio, equivalente en esencia a material. Los químicos, por lo general, restringen el empleo de la palabra en el sentido dado por la definición anterior. La palabra sustancia equivale químicamente a sustancia pura. Nuestra definición no es precisa, ya que dice que una sustancia tiene una composición química definida. La mayor parte de los materiales que el químico clasifica como sustancias (sustancias puras) tienen una composición química fija; p. ej., la sal pura consta de dos elementos: sodio y cloro, exactamente en la relación de un átomo de sodio a uno de cloro. Otras, sin embargo, presentan un pequeño margen de variación en su composición química; un ejemplo es el sulfuro de hierro, que se obtiene al calentar juntos azufre y hierro. Esta sustancia tiene un margen en su composición de algunas unidades por ciento. Una discusión de las sustancias de composición variable se da en el capítulo VII. Clases de definición: Las definiciones pueden ser precisas o imprecisas. El matemático debe definir de un modo preciso las palabras que utiliza; en sus razonamientos ulteriores se ciñe rigurosamente al significado definido para cada palabra. Anteriormente se han dado algunas definiciones precisas; una de ellas es la del kilogramo como la masa de un objeto patrón, el kilogramo prototipo, que se conserva en París. Análogamente, el gramo se define de forma rigurosa y precisa como 1/1000 de la masa del kilogramo.

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Por otra parte, las palabras que se utilizan en la descripción de la naturaleza, en sí misma compleja, no permiten dar una definición precisa. Al dar una definición con tales palabras se procura ajustarse al significado aceptado. Mezclas y disoluciones: Una muestra de granito, en la que pueden verse partículas de tres especies diferentes de materia (cuarzo, mica y feldespato), es indudablemente una mezcla. Una emulsión de aceite en agua (suspensión de gotitas de aceite en agua) también es una mezcla. La heterogeneidad de un trozo de granito es apreciable a simple vista, así como la de una emulsión que contiene grandes gotas de aceite suspendidas en agua; se ve claramente que la emulsión es una mezcla. Pero, a medida que las gotitas de aceite en la emulsión se hacen más pequeñas, puede llegar a ser imposible observar la heterogeneidad del material, y así puede surgir la duda de llamarlo mezcla o disolución. Una disolución ordinaria es homogénea; sin embargo, no es una sustancia, puesto que su composición es variable. Una disolución de líquidos, como la de alcohol y agua, o de gases, como la de oxígeno y nitrógeno (principales componentes del aire), también puede llamarse mezcla. Así, pues, la palabra mezcla se puede usar para referirse a un material homogéneo, que no es una sustancia pura, o a un agregado heterogéneo, de dos o más sustancias. Un material cristalino homogéneo no es necesariamente una sus tancia pura. Así, los cristales naturales de azufre son a veces de color amarillo intenso o pardo, en lugar de amarillo claro. Contienen algo de selenio, distribuido de manera arbitraria en los cristales, en vez de azufre, siendo los cristales homogéneos y con caras tan bien formadas como las del azufre puro. Estos cristales constituyen una disolución cristalina (o disolución sólida). La aleación oro-cobre empleada en Joyería es otro ejemplo de disolución cristalina. Es un material homogéneo, pero su composición es variable.

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Fases: Un sistema material (esto es, una parte limitada del Universo) puede describirse en función de las fases que lo constituyen. Una tase es una parte homogénea de un sistema, separada de las otras partes por límites físicos; p. ej., si un recipiente se llena parcialmente de agua en la que flota hielo, el sistema que comprende lo contenido en el recipiente consta de tres fases: la sólida, hielo; la líquida, agua, y la gaseosa, aire. Un trozo de fundición de hierro maleable se ve con un microscopio como una mezcla de pequeños granos de hierro y partículas de grafito: (una forma del carbono); por tanto, consta de dos fases: hierro y grafito. Una fase en un sistema abarca todas las partes que tienen la* mismas propiedades y composición. De este modo, si hubiera vario? trozos de hielo en el sistema descrito anteriormente, no constituiría! fases diferentes, sino sólo una: la fase hielo. Constituyentes y componentes: Desde el punto de vista químico, las palabras constituyentes y componentes se emplean de forma especial. Los constituyentes de un sistema son las distintas fases que lo integran. Las componentes de un sistema son el conjunto de sustancias número mínimo de sustancias) de las cuales podrían obtenerse las fases constituyentes) del sistema. Los constituyentes del sistema discutido antes son las tres fases: aire, agua y hielo. Los componentes de dicho sistema puede considerarse que son: aire y agua, o aire y hielo, ya que las fases correspondientes al agua y al hielo pueden ambas estar constituídas por una sustancia única, agua (o hielo) .. En este caso el número de componentes es menor que el de fases, pero también puede ser mayor: p. ej., un sistema consistente en una disolución de azúcar en agua está constituído únicamente por una sola fase, la disolución, mientras que tiene dos componentes, azúcar y agua.

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Propiedades físicas de las sustancias Las propiedades de las sustancias som sus cualidades características. Seleccionaremos, como ejemplo de sustancia, el cloruro sódico, la sal común. Todos hemos visto esta sustancia en diversas formas, aparentemente diferentes: sal de mesa, en granos finos; sal en forma de cristales, de unos 6 mm de diámetro, usada en la regeneración de los minerales utilizados para ablandar el agua, o con el hielo para formar la mezcla frigorífica; y los cristales naturales de sal gema, de 2 cm o más de sección transversal. A pesar de sus diferencias obvias,

todas

estas

muestras

dé

sal

tienen

las

mismas

propiedades

fundamentales. En cada caso, los cristales, grandes o pequeños, están limitados por caras cuadradas o rectangulares, de tamaños diferentes; pero siempre mutuamente perpendiculares. La posesión de propiedades diferentes según las diversas direcciones —en particular, la formación de caras, aristas y vértices— es característica de los cristales. La fractura de los diferentes cristales de sal es la misma: cuando se comprimen, los cristales rompen siempre según planos paralelos a las caras primitivas, produciendo cristales más pequeños, análogos a los mayores. Las diversas muestras tienen el mismo gusto salino. Su solubilidad es la misma: a la temperatura ambiente (18° C), en 100 g de agua pueden disolverse 35,86 g de sal. La densidad de la sal es la misma: 2,163 g cm3. Las propiedades de este tipo, que no son afectadas apreciablemente dor el tamaño de la muestra o su estado de subdivisión, se llaman propiedades específicas de la sustancia representada por la muestra. Existen otras propiedades, además de la densidad y solubilidad, que pueden medirse con precisión y expresarse numéricamente. Una de ellas es el punto de fusión, temperatura a la cual una sustancia cristalina funde para dar un líquido. La conductividad eléctrica y la conductividad térmica son propiedades análogas. Por otra parte, hay también otras propiedades físicas interesantes de una sustancia, que no son tan sencillas. Una de éstas es la maleabilidad,

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facilidad con que una sustancia puede convertirse en láminas delgadas por martilleo. Otra propiedad, relacionada con ésta, es la ductilidad, facilidad con que la sustancia puede estirarse en hilos. La dureza es una propiedad análoga; decimos que una sustancia es menos dura que otra cuando es rayada por ésta. Este ensayo proporciona únicamente información cualitativa acerca de la dureza. El color de una sustancia es una propiedad física importante. Es interesante señalar que el color aparente de una sustancia depende de su estado de división: es tanto más claro cuanto más pequeñas son las partículas. Es corriente decir que, bajo las mismas condiciones externas, todas las muestras de una sustancia particular tienen las mismas propiedades físicas específicas (densidad, dureza, color, punto de fusión, forma cristalina, etc.). A veces, sin embargo, la palabra sustancia se utiliza al hacer referencia a un material sin considerar su estado de agregación; p. ej., hielo, agua líquida y vapor de agua pueden considerarse como la misma sustancia. Por otra parte, una muestra que contenga cristales de sal gema y de sal de mesa puede llamarse mezcla, aun cuando, sin embargo, la muestra conste enteramente de una sola sustancia química, cloruro sódico. Esta falta de precisión en el significado parece no causar confusión en la práctica. El concepto de sustancia es, por supuesto, una idealización; todas las sustancias reales son más o menos impuras. Sin embargo, es un concepto útil, ya que hemos aprendido experimentalmente que las propiedades de varias muestras de sustancias impuras con el mismo componente preponderante y diferentes impurezas, son casi las mismas, siempre que las impurezas estén presentes en pequeñas cantidades. Estas propiedades se aceptan como las de una sustancia ideal. Propiedades químicas de las sustancias

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Las propiedades químicas de una sustancia son aquellas que se refieren a su comportamiento en las reacciones químicas. Reacciones químicas son los procesos por los cuales unas sustancias se transforman en otras. De este modo, el cloruro sódico tiene la propiedad de convertirse en un metal blando, sodio, y en un gas verde-amarillento, cloro, cuando se descompone por electrólisis. También tiene la propiedad, cuando se disuelve en agua, de producir un precipitado blanco al añadirle una disolución de nitrato de plata; asimismo tiene otras muchas propiedades químicas. El hierro tiene la propiedad de combinarse fácilmente con el oxígeno en atmósfera de aire húmedo, para formar herrumbre, mientras que una aleación de hierro con cromo y níquel (acero inoxidable) resiste este proceso de corrosión. Es evidente, según este ejemplo, que en ingeniería son muy importantes las propiedades químicas de los materiales. La mayor parte de las sustancias tienen la facultad de tomar parte en muchas reacciones químicas. La consideración de estas reacciones constituye una gran parte del estudio de la Química. Las propiedades de sabor y olor están estrechamente relacionadas con la naturaleza química de las sustancias, y se consideran como propiedades químicas; los sentidos del olfato y del gusto que poseen los animales son los sentidos químicos. Todavía existe un completo desconocimiento de la forma en que las moléculas de las sustancias que poseen sabor y olor actúan sobre los nervios que terminan en la boca y en la nariz, para producir las sensaciones correspondientes; este problema, análogo al del fundamento molecular de la acción de las drogas, espera ser resuelto por la nueva generación de químicos....