Como Identificar las Propiedades Físicas de los materiales - Resumen

Como Identificar las 
Propiedades Físicas de los materiales

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Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee una cierta cantidad de energía, y está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. En física y filosofía, materia es el término para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.

Propiedades de la Materia 

Propiedades generales

Las presentan los cuerpos sin distinción y por tal motivo no permiten diferenciar una sustancia de otra. Algunas de las propiedades generales se les da el nombre de extensivas, pues su valor depende de la cantidad de materia, tal es el caso de la masa, peso, volumen, la inercia, la energía, impenetrabilidad, porosidad, divisibilidad, elasticidad, maleabilidad, tenacidad y dureza entre otras.

Propiedades características

Permiten distinguir una sustancia de otra. También reciben el nombre de propiedades intensivas porque su valor es independiente de la cantidad de materia. Las propiedades características se clasifican en:

Físicas

Es el caso de la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, el coeficiente de solubilidad, el índice de refracción, el módulo de Young(o módulo de elasticidad longitudinal) y las propiedades organolépticas(descripciones de las características físicas que tiene la materia en general, según las pueden percibir los sentidos).

Químicas

Están constituidas por el comportamiento de las sustancias al combinarse con otras, y los cambios con su estructura íntima como consecuencia de los efectos de diferentes clases de energía.
Ejemplos:

• corrosividad de ácidos
• poder calorífico
• acidez
• reactividad

Ley de la conservación de la materia

Como hecho científico la idea de que la masa se conserva se remonta al químico Lavoisier, el científico francés considerado padre de la Química moderna que midió cuidadosamente la masa de las sustancias antes y después de intervenir en una reacción química, y llegó a la conclusión de que la materia, medida por la masa, no se crea ni destruye, sino que sólo se transforma en el curso de las reacciones. Sus conclusiones se resumen en el siguiente enunciado: En una reacción química, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. El mismo principio fue descubierto antes por Mijaíl Lomonosov, de manera que es a veces citado como ley de Lomonosov-Lavoisier, más o menos en los siguientes términos: La masa de un sistema de sustancias es constante, con independencia de los procesos internos que puedan afectarle, es decir, "La suma de los productos, es igual a la suma de los reactivos, manteniéndose constante la masa". Sin embargo, tanto las técnicas modernas como el mejoramiento de la precisión de las medidas han permitido establecer que la ley de Lomonosov-Lavoisier, se cumple sólo aproximadamente.
La equivalencia entre masa y energía descubierta por Einstein obliga a rechazar la afirmación de que la masa convencional se conserva, porque masa y energía son mutuamente convertibles. De esta manera se puede afirmar que la masa relativista equivalente (el total de masa material y energía) se conserva, pero la masa en reposo puede cambiar, como ocurre en aquellos procesos relativísticos en que una parte de la materia se convierte en fotones. La conversión en reacciones nucleares de una parte de la materia en energía radiante, con disminución de la masa en reposo; se observa por ejemplo en procesos de fisión como la explosión de una bomba atómica, o en procesos de fusión como la emisión constante de energía que realizan las estrellas.

En muchas de las actividades que realizamos de manera cotidiana tenemos la necesidad de clasificar los materiales que utilizamos. Lo mismo ocurre con las personas que tienen una profesión; por ejemplo, un mecánico automotriz organiza las diferentes herramientas que usa para arreglar el desperfecto de un automóvil, y un médico hace lo mismo al revisar los signos vitales de un paciente, cataloga sus herramientas de trabajo. Por tanto, ordenar los distintos materiales de acuerdo con sus características es muy importante, ya que esto permitirá hacer un trabajo de mayor calidad, eficiencia y en menor tiempo.

Cualitativas

Pueden conocerse las características de los materiales. Aunque se presenten objetos del mismo color, sus propiedades físicas y químicas son diferentes. Algunas de éstas no pueden medirse ni agregárseles un valor numérico, es decir, no puede medirse el olor ni el sabor, en comparación con la masa, el peso o la densidad. Estas propiedades reciben el nombre de cualitativas, pues se refieren a las cualidades que presenta la materia.

Sin duda, es mediante nuestros sentidos como podemos percibir a los objetos que nos rodean, como los automóviles, edificios, ríos, lagos, nubes, el aire, los muebles de la casa o de la escueta, los alimentos que consumimos, etcétera. Como te habrás dado cuenta, cada uno de estos ejemplos se encuentra en diferentes estados de agregación.

Estados de agregación de la materia

La materia en general se presenta en la naturaleza en tres estados: sólido, líquido y gaseoso, y cada uno tiene características propias, las cuales se definirán a continuación.

• Estado sólido. Los cuerpos o la materia en estado sólido se caracterizan por tener una forma y un volumen definido, no pueden comprimirse y no presentan fluidez. Las partículas que los constituyen están firmemente unidas entre sí. Estas partículas son capaces de vibrar un poco; sin embargo, no presentan desplazamiento. Dicha unión no permite que sean compresibles.

•      Estado líquido. Los materiales en estado líquido poseen un volumen definido, la forma que adoptan es igual a la del recipiente que los contiene, pero no poseen una forma propia. No pueden comprimirse y fluyen por sí mismos. Las partículas que los constituyen están fuertemente unidas, pero la fuerza es menor en comparación con los sólidos. De esta manera, pueden desplazarse unas sobre otras en grupos o cambiar de posición, por lo que permiten la fluidez.

•      Estado gaseoso. Los cuerpos en estado gaseoso no tienen volumen ni forma propia, la adoptan del recipiente que los contiene. Son fácilmente compresibles y se difunden con facilidad, por eso tienden a mezclarse con otros gases. Las partículas que los constituyen están muy separadas unas con otras debido a la poca fuerza de atracción, por ello se desplazan a gran velocidad y pueden moverse libremente. Esta separación permite que sean compresibles.

•      La materia en estado sólido, a medida que la temperatura aumenta, las moléculas que la conforman tienen mayor energía cinética y la fuerza que las mantiene unidas disminuye para pasar al estado líquido. De la misma manera, si la temperatura sigue aumentando, la energía cinética de las moléculas se incrementa de tal modo que la fuerza que las mantenía unidas desaparece y pasan al estado gaseoso; por ejemplo, colocar hielo en un recipiente y calentarlo hasta que se evapore.

La presión también es un factor que afecta a los estados de agregación; por ejemplo, en la Ciudad de México, que se encuentra a 2 250 metros sobre el nivel del mar, se presenta una presión de 585 mm de Hg (milímetros de mercurio), haciendo que el agua pase a estado gaseoso a una temperatura de 96^oC; mientras que en el puerto de Acapulco, Guerrero, que está a 30 metros sobre el nivel del mar, la presión cambia a 760 mm de Hg y el agua hierve a 100 °C.

Fusión y solidificación

¿Alguna vez has observado que el hielo se empieza a derretir como producto del incremento de la temperatura?

A esto se le conoce como punto de fusión, y ocurre cuando un sólido se calienta y pasa al estado líquido. Lo contrario sucede si se pone agua en el congelador; ésta se convierte en hielo conforme disminuye la temperatura, es decir, pasa del estado líquido al estado sólido. Este fenómeno es conocido como punto de solidificación, y se presenta cuando la temperatura de un cuerpo en estado líquido desciende hasta pasar al estado sólido.

Evaporación y condensación

Al seguir calentando el agua que se formó cuando se derritió el hielo, éste pasó al siguiente estado: vapor. Dicho proceso se denomina vaporización, y ocurre cuando se calienta un líquido hasta que hierve. La temperatura que se requiere para producir este cambio se llama punto de ebullición.

El proceso inverso a este fenómeno recibe el nombre de condensación; es decir, cuando disminuye la temperatura del vapor producido, éste se convierte nuevamente en líquido.

Gasificación y licuefacción

La cantidad de calor requerida para que un líquido pase del estado líquido al gaseoso se conoce como gasificación. Esto quiere decir que si seguimos calentando el hielo que se encontraba en un inicio en estado sólido, llegará un momento en que se vaporizará por completo.

En el sentido inverso, cuando la temperatura desciende, el hielo pasa del estado gaseoso al líquido. Un ejemplo de licuefacción se presenta en los encendedores de gas, que contienen combustible en forma líquida. Al momento de abrir o accionar la válvula, la presión se reduce y el combustible pasa al estado gaseoso, o cuando se requiere introducir un gas en un recipiente a alta presión, entonces el material pasa de gas a líquido. El ejemplo más característico es cuando llenan los cilindros de gas utilizados en la cocina.

Sublimación y deposición

Algunas pastillas para aromatizar el baño se encuentran en estado sólido, pero al tener contacto con el agua, pasan directamente al estado gaseoso; es decir, no pasan por el estado líquido e inmediatamente percibimos el olor que desprenden. Este proceso recibe el nombre de sublimación. Este cambio de estado es poco frecuente y suele presentarse sin la intervención de una gran cantidad de temperatura.

Otras propiedades de la materia que se pueden medir por tanto, agregar un valor numérico, son las siguientes.

Propiedades Extensivas

Son aquellas que están relacionadas con la estructura externa de la materia, por lo cual son más fáciles de medir. Entre estas propiedades podemos mencionar la masa, el volumen, la longitud y la energía potencial. Dichas propiedades dependen de la cantidad de materia que contienen para conocerlas. Las que estudiaremos en este caso serán las referentes a masa y volumen

Las propiedades Extensivas de la materia se consideran cuantitativas por que se pueden medir con diferentes instrumentos.

·         VOLUMEN

·         LONGITUD

·         MASA

·         PESO

 Masa

¿Qué es la masa? Corno recordarás, en tu curso anterior de Ciencias con énfasis en Física, revisaste este concepto. a masa se refiere a la cantidad de materia que posee un cuerpo, y el instrumento encargado para medirla es la balanza. La unidad de medición fundamental de la masa, según el Sistema Internacional de Unidades, es el kilogramo (kg), el cual equivale a 1 000 gramos. Respecto a la química, la unidad de medición por lo general es el gramo, aunque en algunos casos se manejan otras unidades como el miligramo (mg) o el microgramo (µg).

Volumen

Para conocer el volumen de un cuerpo regular, aplicaste diferentes fórmulas, por ejemplo: para un cubo V=l³ (volumen es igual a lado cúbico); para un prisma recto V= Bh (volumen es igual a base por altura); y para una pirámide regular V=1/3 Bh (volumen es igual a un tercio por la base por la altura, o bien el volumen es igual a Base por altura entre tres); y por último, para una esfera V=4/3πr3 (volumen es igual a cuatro tercios de pi por el cubo del radio).

La unidad de medición para el volumen en el Sistema Internacional de Unidades es el metro cúbico (m³), aunque en algunos casos se maneja el centímetro cúbico (cm³) o el decímetro cúbico (dm³). Otras unidades referentes al volumen son los litros (4) y sus respectivos submúltiplos, como los mililitros (mI) o los decalitros (dal).

Dentro del área del laboratorio existen instrumentos que nos permiten conocer el volumen de los líquidos: el vaso de precipitados, el matraz Erlenmeyer, las probetas graduadas y las pipetas. Otros instrumentos se conocen como recipientes volumétricos, y entre los más generalizados y de mayor precisión están el matraz volumétrico o aforado y la bureta.

A continuación se detalla en qué consisten estos instrumentos de medición.

Probeta graduada. Es un cilindro, generalmente de vidrio, que tiene una Graduación alrededor. Podemos encontrarlas desde 10 ml hasta 1L de capacidad. Para medir el volumen de un líquido con este instrumento, se agrega lentamente el líquido cuyo volumen se desea conocer y se coloca la probeta sobre  una superficie horizontal, observando el nivel alcanzado. Se procede entonces a hacer la lectura.

Pipeta. Es un instrumento de vidrio de forma cilíndrica; en un extremo tiene una punta por donde se absorbe y se vierte el líquido. La persona que utiliza este instrumento debe retirar todo el aire del interior, dependiendo de la cantidad de volumen que se desea tener. Gracias a la presión atmosférica, el líquido asciende en la pipeta. Se recomienda extraer un poco más de lo que se desea y colocar el dedo índice en el otro extremo para evitar que el líquido se vierta nuevamente. Al mover el dedo índice se puede manipular el volumen del líquido hasta tener el volumen que se quiera obtener. Se pueden encontrar pipetas desde 0.5 ml hasta 50 ml de capacidad.

Matraz volumétrico o aforado. Este instrumento esférico tiene un tapón de vidrio esmerilado que evita derrames del líquido cuando se prepara una disolución, así como una marca anotada en la parte superior del cuello que nos indica la capacidad del matraz.

• Bureta. Es un cilindro de vidrio con llave en la parte inferior donde se controla la salida de volumen, además de una graduación a lo largo del instrumento.

Propiedades Intensivas

Al igual que las propiedades extensivas, las propiedades intensivas también se consideran cuantitativas, sólo que éstas dependen de la estructura interna de la materia, ya que se pueden encontrar dos objetos iguales, pero elaborados con distintos materiales . Entre estas propiedades se hallan el punto de fusión, el punto de ebullición, la viscosidad, la densidad, la concentración y la solubilidad. La cantidad de materia no es indispensable para reconocer dichas propiedades.

Las propiedades intensivas de la materia también son cuantitativas, porque se pueden medir con diferentes instrumentos y dependen de la cantidad de materia.

·         Sabor

·         Densidad D=m/v

·         Olor

·         Punto de ebullición

·         Punto de fusión

·         Coeficiente de solubilidad

·         Índice de refracción

·         Olor

Por otra parte, en los estados de agregación se presentan distintos procesos como el punto de ebullición y el punto de fusión, que se definen a continuación.

Punto de ebullición

Se le llama punto de ebullición a la temperatura a la cual un cuerpo pasa del estado líquido al gaseoso. Todas las sustancias tienen diferente punto de ebullición. En ocasiones esta propiedad recibe el nombre de temperatura de ebullición.

Punto de fusión

A diferencia del punto de ebullición, el punto de fusión es la temperatura a la cual un cuerpo o sustancia cambia del estado sólido al estado líquido. A esta temperatura las moléculas que lo constituyen empiezan a incrementar su movimiento.

Densidad

Cuando has levantado objetos para moverlos de un lugar a otro, habrás notado que unos pesan más que otros. ¿A qué se deberá esto? En tu curso de Ciencias II trabajaste el tema de densidad y, como recordarás, la densidad se define como la cantidad de materia contenida en una unidad de volumen.

La expresión matemática que nos permite calcular la densidad de una sustancia en cualquiera de sus estados es la siguiente:

D=m/v

En algunos libros de física o de química, la densidad se simboliza por la letra griega rho (p); de esta manera, la expresión quedaría:

Ρ = m/v

Las unidades de la densidad que indica el Sistema Internacional de Unidades es kg/m³, aunque para términos más prácticos se usan el g/cm³ o el de g/ml.

La densidad de las sustancias se verá afectada dependiendo del estado de agregación de la materia; por ejemplo, en un gas la densidad es afectada por la presión, pues, como recordarás, las partículas que lo constituyen están expandidas, y si se ejerce una presión sobre el sistema donde las partículas están distanciadas, disminuye reduciendo el volumen y aumentando la densidad.

La temperatura también es otro factor que afecta a la densidad; por ejemplo, en la época de frío, los calefactores son utilizados para calentar las habitaciones; sin embargo, sólo calienta el aire donde el calefactor tiene contacto. Una vez caliente el aire, éste asciende en la habitación, mientras que el aire que se encuentra en la parte superior desciende por ser más frío. Este ciclo se repite con el movimiento de las masas de aire; en física, este fenómeno recibe el nombre de convección térmica.

Viscosidad

Es muy común que se llegue a confundir la densidad de una sustancia con la viscosidad de la misma; sin embargo, son dos cosas diferentes. Como habíamos mencionado, la densidad es la cantidad de materia contenida en una unidad de volumen, mientras que la viscosidad es la oposición de un fluido a moverse cuando se le aplica una fuerza. Por ejemplo, si vacías un vaso con agua y otro con miel en diferentes recipientes, observarás que el vaso que contiene agua fluye a mayor velocidad, en comparación con el vaso que contiene miel, cuya fluidez es mucho menor; por tanto, se puede concluir que todos los fluidos tienen una determinada viscosidad.

Cabe señalar que al igual que la densidad, la viscosidad de una sustancia está determinada por la presión y la temperatura. De esta manera, al calentar el vaso con miel, la resistencia irá disminuyendo hasta que fluya a mayor velocidad, en comparación con la miel que se encuentra a temperatura ambiente.

Solubilidad

Cuando te preparas un café o un té, en ocasiones le agregas mayor o menor cantidad de azúcar y lo pruebas para saber si está dulce. Existen personas que les gusta un café

“cargado”, es decir, con una gran cantidad de café; sin embargo, al final de la ingesta

se llegan a encontrar en el fondo de la taza residuos de este; ello se debe a que no todo el café fue disuelto.

En una solución o disolución, la sustancia que se encuentra en menor cantidad recibe el nombre de soluto, y la sustancia que se encuentra en mayor cantidad se llama disolvente. De esta forma, tenemos:

Soluto + solvente = disolución.

Las soluciones o disoluciones presentan características propias, como las siguientes:

•      Transparencia y homogeneidad en toda su masa

•      No sedimenta, es decir, las partículas no se van al fondo del recipiente.

•      Puede atravesar cualquier filtro.

•      Las partículas del solvente no son visibles en la solución, ya que miden cerca de 0.00 1 micras.

Tomando en cuenta la cantidad de soluto presente en una disolución, ya sea que se disuelva o que forme parte de la misma, sepueden clasificar en:

•      Disoluciones diluidas. Son aquellas donde se presenta poca cantidad de soluto.

•      Disoluciones concentradas. Aquellas que tienen una gran cantidad de soluto.

•      Disoluciones saturadas. Presentan una gran cantidad de soluto posible a una temperatura determinada.

•      Disoluciones sobresaturadas. Se presentan cuando hay una proporción de soluto mayor de la que corresponde al equilibrio de saturación a la misma temperatura.

Si tomamos en cuenta el estado físico (estado de agregación) del disolvente, las disoluciones se pueden dividir en: disoluciones líquidas (agua con colorante líquido), disoluciones sólidas (agua con sal), y disoluciones gaseosas (los gases de la atmósfera).

La mayoría de las disoluciones se ven afectadas por dos factores físicos: la temperatura y la presión. El incremento de la temperatura acelera el proceso de disolución, ya que conforme ésta va aumentando, sus partículas tendrán mayor energía cinética, favoreciendo el proceso de dispersión; pero no en todos los casos se cumple. El sulfato de silicio se comporta de manera contraria a la que se ha descrito, así como en las disoluciones gaseosas, donde la velocidad de disolución disminuye conforme se calienta.

La presión no ejerce ningún cambio en el proceso de disolución de solutos sólidos o líquidos; en cambio, sí afecta a las disoluciones gaseosas cuya velocidad de dispersión en el disolvente líquido es directamente proporcional a la presión que ejercen sobre el disolvente.

Por lo general, los sólidos se disuelven en mayor cantidad en disolventes que se encuentran a mayor temperatura que los que están a menor temperatura. Esto no sucede con los gases, pues un líquido disuelve más un gas a medida que la temperatura de este último desciende.

Concentración

Como ya habrás notado, las disoluciones dependen de la cantidad de soluto que se encuentra disuelta en el solvente. Retomando el ejemplo de inicio del punto anterior, si el café está cargado, decimos comúnmente que está más concentrado, pero ¿qué tan concentrado se encuentra?

Como te habrás dado cuenta, es posible modificar la concentración de una sustancia, es decir, se le puede agregar la cantidad de soluto hasta que sea de nuestro agrado, aunque el soluto sea ¡insoluble; sin embargo, en el mercado existen productos o disoluciones en las cuales no podemos manejar la concentración, ya que están procesadas industrialmente, pero sí las podemos diluir.

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Bibliografia

www.wikipedia.org

www.libros.conaliteg.gob.mx

Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2003. © 1993-2002 Microsoft Corporation.

www.fotolia.com

Nueva Enciclopedia Tematica Grolier 2012

https://www.ecured.cu 

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