¿Qué es
materia?
La
Química trata de la materia en lo que se refiere a su naturaleza,
composición y transformación. No puede darse una definición de la
materia mediante conceptos corrientes y, análogamente a las categorías
de espacio y tiempo de las que tenemos idea por sus cualidades, es más
sencillo describir la materia por las propiedades que son comunes a todos
los cuerpos materiales.
Todo lo que es
percibido por nuestros sentidos es de origen material. Caracteres
esenciales de la materia son la extensión y la inercia.
La
idea de extensión, natural en los sólidos y líquidos, desaparece, en
realidad se transforma, en los gases y. por ello, es mejor hablar de la inercia,
cualidad por la que los cuerpos materiales ofrecen resistencia a
modificar su estado de reposo o de movimiento.
Del
esfuerzo necesario para vencer la inercia adquirimos la idea de masa,
definida por la expresión F = m. a (2º ley de Newton). La cantidad de materia de un cuerpo viene medida por su masa
Los
cuerpos que nos rodean se encuentran en el campo de atracción de la
Tierra que ejerce sobre ellos una fuerza que es su peso.
Puesto que la aceleración de la gravedad en cualquier punto de la
superficie de la Tierra es prácticamente constante, también lo es el
peso de un cuerpo que se expresa por el mismo número que representa su
masa; esto es, a la unidad de masa 1
Kg le corresponde la unidad de peso 1
kp. Esto hace que los términos masa
y peso se utilicen indistintamente al referirse a un cuerpo
determinado, por lo que, frecuentemente, se confunden.
La
distinción entre masa y peso queda aclarada si pensamos que la masa de un
cuerpo cualquiera es invariable lo mismo si la tenemos sobre la Tierra que
si la imaginamos sobre la Luna o en un punto del espacio interestelar,
mientras que su peso, prácticamente el mismo en cualquier sitio de la
superficie de la Tierra, sería de una sexta parte escasamente en la Luna
y nulo en el espacio interestelar. No obstante, su resistencia a cambiar
su estado de movimiento sería la misma en cualquier lugar del espacio.
Una persona de masa 73 kg cuyo peso en la Tierra será de 73 Kp, situada
en la Luna, experimentaría la sensación de que pesaba únicamente I2 kp.
Propiedades
físicas y químicas.
Las
distintas formas de materia se diferencian mediante ciertas cualidades que
afectan directa o indirectamente a nuestros sentidos las cuales se
denominan propiedades
físicas y no afectan a la naturaleza intima de
la materia. Si estas propiedades son características de un cuerpo
determinado se llaman propiedades
específicas, tal como el color,
olor, sabor, solubilidad, densidad, conductividad del calor y de la
electricidad, brillo, transparencia, dureza, maleabilidad, ductilidad,
estructura cristalina, punto de fusión, punto de ebullición, etc. Así,
por ejemplo, el cobre, el oro y la plata se distinguen por su color; el
agua, el alcohol y la gasolina por su olor; la sal y el azúcar, por su
sabor; los carbonatos de sodio y de calcio, por su solubilidad; el plomo y
el aluminio, por su densidad; el vidrio y el diamante, por su dureza, etc.
Si
las propiedades dependen de la cantidad de muestra investigada se
denominan propiedades extensivas, tal
como el peso, el volumen, el tamaño,
etc.
Hay
propiedades que pueden cambiar en una misma muestra, tal como la presión, la temperatura, el estado de reposo o de movimiento, la
carga eléctrica, etc., y se designan como condiciones. La presión y la temperatura son cualidades muy
importantes, pues siempre están adscritas a los cuerpos, determinando las
propiedades de los mismos.
Las
propiedades
químicas de los cuerpos se ponen de manifiesto cuando se transforman en
otros distintos. La acción de los ácidos sobre la mayoría de los
metales corresponde a una propiedad general de los ácidos. La combustión
del carbón y la oxidación del hierro expresan una propiedad química de
estos cuerpos al transformarse en otros distintos, Los métodos de
determinación de las propiedades químicas de los cuerpos constituyen la
base del análisis químico.
Transformaciones físicas y químicas.
Los
cambios que experimentan las substancias son de dos clases, físicos
y químicos.
Un cambio físico modifica algunas propiedades
de la substancia pero no, hay motivos para suponer que se ha formado una
nueva. Por el contrario, en los cambios químicos, conocidos como reacciones, tiene lugar una modificación profunda de todas las
propiedades del cuerpo, lo que obliga a suponer que se ha formado una
nueva substancia. No existe una delimitación absoluta entre estas dos
clases de transformaciones, pues hay diversos procesos que adquieren una
significación intermedia.
Si se electriza un pedazo de cobre, se imanta un trozo de hierro, se
calienta una cierta masa de azufre o se comprime un volumen determinado de
cloro, las propiedades físicas de estas substancias varían tan sólo en
lo que respecta a la modificación producida y en una extensión que
depende de ella, pero las propiedades químicas de estas substancias
permanecen inalteradas; ha tenido lugar en cada caso un fenómeno físico.
Si se llega a fundir el pedazo de azufre o si el cloro se licua, las
propiedades físicas cambian totalmente pero el comportamiento químico
del azufre fundido o el del cloro líquido es el mismo que el del azufre sólido
o el del cloro gaseoso, por lo que el proceso de fusión o el de licuación
es también un cambio físico que afecta únicamente al estado de agregación
de la substancia correspondiente. En cambio, si se calienta óxido mercúrico,
polvo rojo, en un tubo de ensayo, se desprende oxígeno y en la parte
superior del tubo se condensa mercurio en forma de minúsculas gotas; ha
tenido lugar un cambio químico.
Los
procesos físicos y químicos se diferencian fundamentalmente en los
siguientes aspectos:
1)
Los cambios químicos van acompañados por una modificación
profunda de las propiedades del cuerpo o cuerpos reaccionantes; los
cambios físicos dan lugar a una alteración muy pequeña y muchas veces
parcial de las propiedades del cuerpo.
2) Los
cambios químicos tienen casi siempre carácter permanente mientras que,
en general, los cambios físicos persisten únicamente mientras actúa la
causa que los origina.
3) Los cambios
químicos van acompañados por una variación importante de energía
mientras que los cambios físicos van unidos a una variación de energía
relativamente pequeña.
Así, por ejemplo, la formación de 1 g de agua a temperatura ambiente, a partir de hidrógeno y oxígeno,
desprende cerca de 3800 calorías, mientras que la solidificación a hielo
de 1 g de agua o la condensación
a agua líquida a 100 ºC de 1 g de vapor de agua desprende tan sólo,
respectivamente, cerca de 80 ó de 540 calorías.
En
algunos casos, tal como en la disolución del cloruro de hidrógeno
gaseoso o incluso del cloruro sódico en agua o la simple dilución del ácido
sulfúrico concentrado, parece difícil decidir claramente si un proceso
es químico o físico, ya que ofrece aspectos de uno y otro tipo de
transformaciones.
Mezclas,
disoluciones
y substancias
puras.
La
materia puede presentarse en dos formas distintas:
Homogénea,
si
es
completamente uniforme, esto es, que sus propiedades y composición sean
las mismas en cualquier punto de la misma.
Heterogénea,
si está formada por dos o más porciones diferentes, separadas por
superficies definidas a través de las cuales las propiedades cambian
bruscamente.
Un
material heterogéneo es una mezcla
y cada porción homogénea de la misma constituye, desde el punto de
vista químico, una fase.
Así,
por ejemplo, un trozo de granito aparece moteado e incluso a simple vista
pueden observarse en él tres clases distintas de cuerpos; unas partículas
minúsculas, obscuras y brillantes que son de mica, unos fragmentos pequeños,
duros y transparentes que son de cuarzo y unos cristales oblongos, translúcidos
y grisáceos que son de feldespato.
Cada
fase de una mezcla presenta sus propiedades características y, en
general, pueden separarse unas de otras por medios mecánicos. Una
mezcla de azufre y hierro de color negruzco amarillento puede
diferenciarse a simple vista o mediante la lupa o el microscopio, observándose
las partículas amarillas de azufre y las grises obscuras de hierro. Sí
las partículas de uno y otro cuerpo no fuesen excesivamente pequeñas,
podrían seleccionarse a mano y en todo caso, podrían separarse por medio
de un imán que atrae el hierro o tratando la
mezcla con sulfuro de carbono que disuelve el azufre, filtrando la
disolución obtenida (en esta operación queda retenido el hierro) y
evaporando el disolvente que deja como residuo el azufre sólido.
Si
una fase homogénea puede tener una composición variable se denomina disolución.
Las disoluciones pueden ser sólidas,
pero la mayoría de ellas son líquidas. Las disoluciones más utilizadas son las acuosas en que el disolvente
es el agua.
La
composición de cualquier mezcla heterogénea puede cambiarse en la
extensión que se quiera, pero la composición de una mezcla homogénea,
esto es, de una disolución, sólo puede variarse, en general, entre límites
definidos. Cuando una disolución está en equilibrio con el soluto puro
en exceso, se dice que es saturada.
Una
fase homogénea de composición uniforme y completamente
invariable constituye una substancia
pura, tal como el
azufre, el hierro, la sal y el azúcar.
Cuando
la proporción de uno de los componentes en una mezcla es preponderante e
incluso casi exclusiva, más que como mezcla se considera como substancia
más o menos impura.
Elementos
y compuestos.
El
enorme número de substancias diferentes que hoy se conocen se
caracterizan por su composición invariable y por tener propiedades
definidas a una temperatura y presión dadas. Pero la inmensa mayoría de
ellas pueden transformarse en otras más sencillas al someterlas a la acción
del calor o de otra forma de energía (eléctrica, luminosa, etc.).
El
azúcar es una substancia pura que si se calienta se transforma en agua
-en estado de vapor- y en carbón, la materia negruzca que en su combustión
nos proporciona una gran cantidad de energía.
El agua se descompone a su vez al hacer pasar la corriente eléctrica
a través de agua a la que se ha agregado un poco de ácido sulfúrico
para aumentar su conductividad. En el polo positivo se forma un gas algo más
denso que el aire, que aviva la combustión y sostiene la vida; es el oxígeno,
el componente activo de la atmósfera; y en el polo negativo se forma
también un gas, pero mucho más ligero que el aire y que arde en el seno
de éste originando nuevamente agua; es el hidrógeno.
La
sal, otro cuerpo puro, se descompone también por la corriente eléctrica
al pasar a través de la substancia en estado fundido. En el polo positivo
se desprende un gas amarillo verdoso, sofocante y venenoso que es el
cloro, mientras que en el polo negativo se separa un metal muy ligero, sólido
y muy activo, que es el sodio.
El
oxígeno, el hidrógeno, el cloro, el sodio y el carbono, no
pueden descomponerse en otros cuerpos más sencillos y se denominan substancias
elementales o elementos, lo que significa que son
constituyentes elementales de toda la materia
En
la radioactividad natural, algunos elementos se descomponen en otros
distintos. En
estos casos se consideran dichos
elementos como tales y se habla de desintegración
de los elementos radioactivos más que de descomposición ya
que los procesos que tienen lugar son de grado muy superior al
de las transformaciones químicas corrientes.
Actualmente ha podido controlarse la transmutación de unos elementos en
otros, pero utilizando métodos físicos especiales.
Las
substancias
elementales o
elementos
son aquellas substancias que no pueden descomponerse en otras más sencillas
por los medios químicos habituales.
De
los 109 elementos actualmente
conocidos, 21 han sido producidos artificialmente en estos últimos años
y no se han encontrado en la naturaleza. De los 88 elementos naturales
restantes, muchos se hallan en proporción tan pequeña que parece existen
tan sólo por excepción. Unos pocos elementos, como el oxígeno, el nitrógeno,
el carbono, el oro, la plata y el platino, entre pocos más, se encuentran
en estado libre o sin combinar; los otros existen combinados. Muchos de
los elementos como el hierro, oro, cobre, plata, mercurio, plomo,
aluminio, níquel, estaño, azufre, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno,
carbono, cinc, helio, radio y uranio nos son familiares, pero esta
familiaridad no quiere decir que sean los más abundantes. El elemento que
por su abundancia en la corteza terrestre ocupa el segundo lugar, después
del oxígeno, continuamente estamos en contacto con muchos de sus
compuestos. Este elemento es el silicio, básico en la industria
electrónica, el cual forma parte de la arena, vidrio, cemento, arcilla,
carborundo, asbesto, mica y demás silicatos. Un 47 % aproximadamente de
la arena del desierto está constituida por silicio.
Las
substancias que pueden descomponerse por medios químicos apropiados en
dos o más sustancias elementales se denominan compuestos.
Los
compuestos, análogamente a las mezclas, están constituidos por dos o más
cuerpos diferentes, pero se diferencian esencialmente de éstas en los
siguientes extremos:
a)
Los componentes de las mezclas pueden separarse por medios físicos,
pero los constituyentes de los compuestos, no.
b)
Las mezclas tienen las propiedades de sus componentes, pero los
compuestos poseen sus propiedades específicas correspondientes.
c) Las mezclas pueden existir en cualquier proporción mientras que
los compuestos se forman a partir de los elementos en proporción
invariable.
d) La formación o descomposición de un compuesto va siempre unida a
un desprendimiento o absorción de calor, mientras que para una mezcla el
efecto calorífico es nulo o en todo caso, Muy pequeño.
Si
la mezcla de azufre y hierro considerada anteriormente se calienta, llega
un momento en que se pone incandescente formándose un cuerpo negro que no
tiene las propiedades del azufre ni
del hierro, pues se diferencia de estos compuestos en el color y
densidad, en que no es atraído por un imán, en ser insoluble en sulfuro
de carbono y no desprender hidrógeno al ser tratado por los ácidos, sino
otro gas de olor desagradable a huevos podridos. Mediante métodos químicos
apropiados podrían aislarse nuevamente del cuerpo formado el azufre y el
hierro que se obtendrían siempre en una relación invariable.
El
número de elementos es actualmente de un centenar, mientras que el número
de compuestos químicamente conocidos es de varios millones.
Por conveniencia de estudio los compuestos se clasifican en dos grupos: orgánicos o compuestos del
carbono, e inorgánicos, que no contienen carbono, si bien algunos de
esto La
inmensa mayoría de los compuestos que se conocen son orgánicos y sintéticos,
descubriéndose cada año multitud de nuevos compuestos.
