Ensayo de Materia - Apuntes 1-2 PDF

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ensayo sobre materia y sus generalidades, normalmente pedido a los alumnos de nuevo ingreso como trabajo final ....

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INTRODUCCIÓN Muchas veces hemos escuchado la palabra “materia” en la escuela y puede que en otros lugares también, es una palabra con la que nos encontramos familiarizados y es parte de nuestro vocabulario cotidiano, es lógico que puede poseer más de un significado o acepción. La palabra “materia” puede ser solo una clase en específico que tomamos en la escuela (física, matemáticas o química) como parte de un plan de estudios y que se plasma en los planes educativos específicos. Así como también puede describir el compuesto de algún material o su estado y que posee distintas propiedades químicas y físicas. En química la materia se trata de todo lo que nos rodea y ocupa un lugar en el universo, desde una partícula de hidrogeno hasta nuestro planeta Tierra, en si se trata de todo lo que el ser humano puede ver, sentir o percibir e incluso de lo que no percibe. La materia puede presentarse en distintas formas, estados y tamaños, un ejemplo claro de este concepto puede ser lo siguiente: Imagina tener una caja llena de todos los dulces que te gustan (chocolates, paletas, goma de mascar, gomitas, etc.), si te paras a observar un momento detenidamente el contenido de la caja, te darás cuenta de que cada dulce este compuesto de distintos materiales y en distintas proporciones, pero comparten cosas en común , como: • Poseen masa y peso. • Son derivados de una sustancia primaria. • Ocupan un lugar en el universo • Pueden transformarse en otros componentes Todas estas características nos llevan a la ley de conservación de la materia la cual fue postulada por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785 y dicta que: “nada se pierde, nada se crea, solo se transforma”. En este ensayo hablaremos a profundidad sobre la materia como concepto fundamental en las distintas ramas del estudio científico, así como también de sus propiedades e interacciones con su entorno, partiendo desde sus conceptos generales y ejemplificando cada uno de ellos para obtener una mejor comprensión del concepto.

ARGUMENTACIÓN

¿Qué es la materia? La materia es el término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia. En palabras más simples, materia es prácticamente todo lo que hay en el universo, desde las moléculas de nuestra propia sangre, una miga de pan, un pelito de tu mascota, un cubo de hielo, etc. Prácticamente todo el universo se compone de materia o energía. Nuestros cuerpos están hechos de materia, el agua que tomamos está hecha de materia, como lo está el aire que nos rodea y que respiramos. A veces podemos ver la materia y sentirla, pero a veces no. Aún si no podemos verla, o sentirla, como el aire, todavía es materia. La materia también puede presentarse en diversos tamaños y formas dependiendo del objeto o cuerpo en cuestión, pero básicamente todos están compuestos por átomos. Pero ¿Qué son los átomos? Un átomo es la partícula más pequeña de la materia que por sí solo puede combinarse con otros átomos diferentes o iguales. Demócrito ejemplificó lo anteriormente dicho con un pan, el escogió este ya que el pan está constituido por miles de migas, estas lo forman y se desprenden al momento de cortarlo o morderlo. Una característica de los átomos es que se interconectan entre sí formando dos tipos de agrupaciones denominados: • Elementos. Son agrupaciones o combinaciones de átomos iguales. • Moléculas. Son combinaciones de otros átomos iguales o diferentes

Mezclas Los elementos se combinan para formar varias sustancias en un proceso que no solamente es físico, sino también químico. Un ejemplo de esto en la combinación entre el ácido clorhídrico+ aluminio cuya mezcla desprende energía y gas capaz de encenderse al acercar un fosforo encendido. Las sustancias también pueden existir como mezclas con características de dos tipos: homogénea y heterogénea. Las mezclas del tipo homogéneas son aquellas en la que sus componentes están mezclados de forma tal que es imposible diferenciarlos a simple vista, estando distribuidos de manera uniforme. Este tipo de mezcla se encuentra en una fase (estado de la materia) y se le conoce también como solución o disolución. Un ejemplo de una mezcla homogénea o solución es una taza de café caliente o un medicamento.

Mientras que las mezclas heterogéneas son distinguibles a simple vista y su distribución no es uniforme. Las mezclas heterogéneas presentan al menos dos fases diferenciadas (sólido y líquido, por ejemplo). Un tazón de cereal con leche es un ejemplo de una mezcla heterogénea.

Sustancias puras Las sustancias puras son aquellas formas de la materia homogénea, cuya composición química es fija y definida, o sea, no varía, sin importar las condiciones físicas en que dicha materia se encuentre. Dicho de otro modo, se trata de materia que permanece químicamente inalterada en sus distintos estados de agregación, dotada de propiedades singulares y características. Las sustancias puras son, entonces, lo contrario de las mezclas, y por lo tanto no pueden ser descompuestas en sustancias más simples a través de ningún método ni medio físico. Además, poseen características físicas constantes y fijas, como densidad, punto de ebullición, etc., y muchas de ellas se pueden reproducir a una temperatura y presión dadas. Un claro ejemplo de ello es el agua, simple y abundante, que puede darse en forma líquida, gaseosa o sólida, pero siempre estará compuesta por los mismos elementos químicos y siempre responderá igual a las mismas condiciones de temperatura y presión. En cambio, si le añadimos sal, azúcar y otras sustancias, alteramos sus propiedades físicas y ya no es una sustancia pura.

Propiedades de materia Las propiedades de la materia son aquellas que definen las características de todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen. Las propiedades de la materia pueden ser a su vez: • Propiedades extensivas, que dependen de la cantidad de materia presente (como la masa y el volumen). • Propiedades intensivas, que no dependen de la cantidad de materia (como la dureza y la densidad). Las propiedades generales de la materia son aquellas características comunes a todos los cuerpos como lo son: • Masa: cantidad de materia que contiene un cuerpo. • Volumen o extensión: espacio que ocupa un cuerpo. • Peso: la fuerza que ejerce la gravedad sobre los cuerpos. • Porosidad: espacio que existe entre las partículas. • Inercia: característica que impide a la materia moverse sin intervención de una fuerza externa.

Impenetrabilidad: propiedad de que un cuerpo no pueda usar el espacio de otro cuerpo al mismo tiempo. • Divisibilidad: capacidad de la materia dividirse en partes más pequeñas. Es importante recalcar que la materia y sus propiedades estarán siempre afectadas por las fuerzas externas del medio en que se encuentran y por la fuerza de atracción entre las moléculas que la componen, así como la gravedad del planeta en el que habitan. •

De la misma manera es importante no confundir materia y peso. La materia es constituida por masa que no cambia, al contrario del peso, que sí cambia por el efecto de la fuerza de gravedad. Tomemos de ejemplo el peso de un perro pequeño de 15 kg tendrá una masa constante en la Tierra como en Júpiter, pero su peso será diferente debido a que la fuerza de gravedad en la Tierra y en la Júpiter son diferentes.

Estados de agregación de la materia La materia se puede representar de formas distintas, las cuales poseen características que nos ayudan a distinguir unos objetos de otros. Los estados de un material dependen de las condiciones de presión y temperatura. La variación de estos estados se denomina estados de agregación, relacionadas con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que lo constituyen, transformando de esta manera su forma bajo procesos naturales de la superficie terrestre en donde habitan. Se puede considerar que existen cinco estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso, plasmático y condensado de Bose-Einstein (incluido recientemente en esta época). Pero los más conocidos y comúnmente observables en nuestro entorno son: a) El estado sólido Se caracteriza por tener una estructura atómica ordena y de interconexiones atómicas juntas, con una alta cohesión y fuerza de atracción entre sus átomos, generando de esta manera mayor oposición a una ruptura de enlaces y dificultando el cambio de estado. Como las partículas de un sólido se encuentran ordenadas y con cierta regularidad geométrica, esto da lugar a la formación de diversas estructuras cristalinas. La materia en estado sólido se caracteriza principalmente por tener una forma y volumen constante. Es decir, una materia en estado sólido no se puede comprimir

con solo apretarlo o presionarlo. Sus moléculas se encierran en una sola posición limitando su vibración molecular. Otra característica que se puede añadir es que cuando la materia se encuentra en estado sólido y de reposo presenta una resistencia que impide modificar su maleabilidad y ductilidad. b) Estado líquido Se trata de un estado en el que las moléculas se encuentran más dispersas y sus enlaces se encuentran en constate separación y unión. Por lo que esta se presenta en forma de sustancia fluida y con volumen, pero sin una forma definida. El estado líquido es el estado intermedio entre el sólido y gaseoso. Muchos elementos se mantienen en estado líquido a temperatura normal, como el agua misma, pero al ser variadas sus condiciones calóricas pueden convertirse en sólidos (congelamiento o solidificación, al disminuir la temperatura) o en gases (evaporación, al incrementarse la temperatura). La materia en estado líquido presenta las siguientes características físicas fundamentales: • •

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Forma. Los líquidos no tienen forma definida, así que adquieren la del recipiente en donde se los contenga. Fluidez. Es una característica exclusiva de líquidos y gases, que les permite abandonar un recipiente en favor de otro, a través de canales estrechos o de una forma variable, puesto que las partículas líquidas, al carecer de forma, pueden escurrirse, movilizarse y deslizarse. Viscosidad. La viscosidad de los líquidos es su resistencia para fluir, debido a las fuerzas internas de sus partículas, cuya acción enlentece su deformación cuando se vierte o se lo deja caer. Así, los líquidos más viscosos (petróleo, brea, etc.) fluyen lentamente pues sus partículas se adhieren más las unas a las otras; y los líquidos de poca viscosidad (agua, alcohol, etc.) fluyen rápidamente. Adherencia. Los líquidos pueden adherirse a las superficies, como lo hacen las gotas que quedan sobre los objetos sumergidos en un líquido. Tensión superficial. Es una propiedad de la superficie de los líquidos, que se resiste a la penetración de los objetos hasta un cierto margen, como si fuera una capa elástica. Por eso algunos insectos “caminan” sobre el agua y las hojas caídas de los árboles permanecen sobre ella sin hundirse. La tensión superficial está directamente vinculada con la densidad.

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Densidad. Las partículas de un líquido se mantienen juntas y con cohesión gracias a su margen de densidad, mucho menor que en los sólidos, pero que aun así les brinda un volumen determinado.

c) Estado gaseoso Se llama estado gaseoso a un estado de la materia que consiste en el agrupamiento de átomos y moléculas con poca fuerza de atracción entre sí o en expansión, lo que significa que no pueden unirse totalmente, o sea, expandidas a lo largo del contenedor donde se encuentren, hasta cubrir lo más posible el espacio disponible. Esto último se debe a que presentan entre sí una fuerza de atracción muy leve, lo cual se traduce en que los gases carezcan de forma y de volumen definidos, tomando las del recipiente que los contenga, y tengan además una bajísima densidad, puesto que sus partículas se encuentran en un estado de relativo desorden, moviéndose o vibrando muy velozmente. En el estado gaseoso, la energía de separación entre las moléculas y átomos excede la fuerza de atracción entre ellas, lo que da lugar a una serie de características o propiedades de los gases. Los gases contienen menos partículas que líquidos y sólidos. Presentan una enorme capacidad para ser comprimidos, cosa que a menudo se lleva a cabo durante su tratamiento industrial para el transporte. • Las partículas están en movimiento constante y desordenado. • Los gases no tienen forma ni volumen definidos. • Cuando hay colisiones entre partículas, estas cambian de dirección y velocidad de forma caótica, lo que aumenta su alejamiento y el volumen del gas. • La mayoría de los gases son intangibles, incoloros e insaboros. • Puede transformarse un gas en un líquido o un sólido. • Los gases pueden ser comprimidos hasta adoptar la forma de su recipiente. De acuerdo con las variables de temperatura y presión, pueden generarse procesos de transformación de la materia de un estado de agregación u otro. Los cambios de la materia que involucran el estado gaseoso son los siguientes: • •

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De líquido a gas: evaporación. Este proceso ocurre cotidianamente, con tan sólo inyectar energía calórica al líquido hasta hacer que su temperatura supere el punto de ebullición (distinto según la naturaleza del líquido).

De sólido a gas: sublimación. En algunos casos, los sólidos pueden pasar directamente al estado gaseoso sin atravesar primero la liquidez. • De gas a líquido: condensación. Este proceso es contrario a la evaporación y tiene que ver con la sustracción de energía calórica del gas, haciendo que sus partículas se muevan más lentamente y se junten con mayor fuerza • De gas a sólido: sublimación inversa. Este proceso también puede llamarse cristalización, en algunos contextos específicos. Y tiene lugar bajo condiciones de presión puntuales, que fuerzan las partículas de un gas a juntarse más allá de lo que comúnmente lo están, llevándolas directo al estado sólido sin pasar primero por la liquidez. •

d) Estado plasmático Cuando se habla de una sustancia en estado plasmático nos referimos específicamente a un gas ionizado, o, en otras palabras, a un gas cuyos átomos han sido despojados de parte de sus electrones originales, y se han cargado eléctricamente (no poseen equilibrio electromagnético). Esto quiere decir que el estado plasmático es, en principio, semejante al gaseoso, pero con muy distintas propiedades a las de un gas frío. Entre ellas se cuentan la tendencia del plasma a conducir efectivamente la electricidad, o su gran respuesta hacia los campos magnéticos. El estado plasmático es un tipo de estado de la materia que se caracteriza por poseer una carga de energía alta que se genera, en gran medida, en situaciones en las que la temperatura está muy elevada. El estado plasmático es el estado de la materia más común en el universo, permite la conducción de electricidad y se encuentra, por ejemplo, en las estrellas, el Sol, los rayos, entre otros. Este estado de la materia tiene la particularidad de no poseer forma ni volumen fijo, todo lo contrario, a el estado sólido.

Existen dos tipos conocidos de plasma: Plasma frío. El más inofensivo para los seres vivos, ya que no causa quemaduras ni es dañino, pues sus partículas no se mueven tan velozmente como lo hacen, en cambio, sus electrones. • Plasma caliente. Cuyos átomos están chocando entre sí repetidamente al desplazarse y perder electrones, generando en el proceso cantidades variables de luz y de energía calórica.

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El ejemplo más claro del plasma en la naturaleza son las Aurora boreal y aurora austral ya que son la luminosidad que se produce en el cielo nocturno, generalmente, en las zonas polares. c) Estado condensado de Bose-Einstein El estado condensado de Bose-Einstein, también llamado como el cubo de hielo cuántico, solo se conocía por los estudios teóricos de los físicos Albert Einstein (1879-1955) y Satyendra Nath Bose (1894-1974) que predijeron en 1924 la existencia de tal estado. El quinto estado sólo existía en teoría hasta 1995, debido a las dificultades en alcanzar las 2 condiciones necesarias para ello: • •

Producción de temperaturas bajas cercanas al cero absoluto y Creación del gas de partículas subatómicas con un determinado espín.

El estado condensado de Bose-Einstein tiene 2 características únicas denominadas superfluidez y superconductividad. La superfluidez significa que la materia deja de tener fricción y la superconductividad indica resistencia eléctrica nula. Debido a estas características, el estado condensado de Bose-Einstein tiene propiedades que pueden contribuir en la transmisión de energía por luz, por ejemplo, si la tecnología permite alcanzar temperaturas extremas.

Ley de la conservación de la materia La ley de la Conservación de la Materia es también llamada ley de conservación de la masa o Ley de Lomonósov-Lavoisier, en honor a sus creadores. Postula que la cantidad de materia antes y después de una transformación es siempre la misma. Es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Se resumen con la célebre frase: "La masa de un sistema cerrado o aislado permanece invariable cualquiera que sea la transformación que ocurra dentro de él". Un sistema cerrado es aquel donde no existe interacción con el entorno. En este sentido, dentro de un sistema cerrado no entran ni salen sustancias, pero se puede liberar energía. El sistema aislado, al igual que el cerrado, no hay entrada o salida de materia, pero tampoco hay transferencia de energía. Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov, a través de placas de plomo en 1745 y por Antoine Lavoisier con sus estudios de combustión en 1785. Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química. Está detrás de la descripción habitual de las reacciones químicas mediante la ecuación química. También de los métodos gravimétricos de la química analítica. La única salvedad que hay que tener en cuenta son las reacciones nucleares, en las que la masa sí se modifica de forma sutil pero nunca completamente. En estos casos en la suma de masas hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía. La ley de la conservación de la materia fue un hito clave en el progreso de la química. Gracias a esto se puede establecer que las sustancias no desaparecen o se crean de la nada en una reacción química, si no que solo se transforman en una sustancia nueva. La ecuación química muestra los participantes de la reacción química. Hablamos de una ecuación química balanceada cuando la cantidad de átomos del lado de los reactantes es igual al lado de los productos. Un buen ejemplo de cómo se cumplen estos balances de materia y de energía es la reacción de combustión del metano (CH4); este gas reacciona con el oxígeno (O2) de la atmósfera y por consecuencia, al reaccionar, se obtiene calor. La Ley de la Conservación de la Materia y la de la Conservación de la Energía, son muy importantes, pues representan la base de muchos cálculos elementales en los procesos analizados en las ciencias y las ingenierías.

Conclusión

La materia es todo lo que existe en el universo, desde las partículas atómicas de un material químico hasta la compasión de un planeta entero. Posee características únicas por cada elemento, así como también comparten generalidades. La materia posee un total de cinco estados de agregación, solido, liquido, gaseoso, plasma y condensado de Bose-Einstein, de los cuales los tres primeros son los más comunes en nuestro entorno natural y por los cuales la mayoría de los elementos son capaces de atravesar. Existen distintos procesos de cambio de estado para la materia, denominados por el tipo de transformación que sufre el elemento o sustancia en cuestión, por ejemplo: cuando un elemento pasa de solido a liquido se le denomina fusión, y de manera contraria (líquido a solido) solidificación. En su forma primaria o natural, cada elemento se encuentra en alguno de estos estados, como el hierro que se encuentra como un mineral en estado solido o el oxigeno cuya forma es un gas. Es por esta razón que se identificaron varias características físicas y químicas de los estados propios de la materia un ejemplo puede ser: los gases contienen menos partículas qu...