Química para Estudiantes de Ingeniería Civil Propiedades de la Materia

CAPÍTULO 2

PROPIEDADES DE LA MATERIA

DEFINICIONES

Materia
La materia se define como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Al
establecer esta definición, se tendrá cuidado en distinguir la masa del peso, ya que a menudo
se usan como si fuera lo mismo.

Masa
Medida de la cantidad de materia que posee un objeto, esta cantidad es constante para
cualquier objeto determinado y no depende donde se encuentre el objeto. Una de las maneras
en que se observa la masa es la resistencia que ofrece un objeto al cambio de movimiento.

Peso
El efecto producido por la gravedad al interactuar con la materia. Es decir es una medida de la
fuerza con que un objeto de una masa dada es atraído por la gravedad. A diferencia de la masa
el peso de un objeto no es constante, pues puede depender mucho de lugar.

PROPIEDADES DE LA MATERIA

Propiedades Físicas

Son aquellas características de la materia que pueden evaluarse sin que ocurran cambios en la
composición del material.
Ejemplos: Color, olor, sabor, tacto, masa, tensión superficial, presión de vapor, densidad,
punto de ebullición, punto de fusión, viscosidad, compresibilidad.

Propiedades Químicas

Son las que dan como resultado el cambio en la composición del material

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Reacción Química

Es la manera por medio de la que ocurre el cambio químico.

Ejemplo: La combustión de la madera

La madera se quema (combustión)

Madera  O 2   CO 2  H 2O  Energia
Cerillo

Reactivos Productos

Cambio físico vs. Cambio químico

La materia puede sufrir cambios físicos o cambios químicos.

Ejercicios: Cambio Químico y cambio Físico

Indica cuáles son cambios físicos y cuales químicos: Se agria la leche, hacer vino, hacer hielo,
las hojas cambian de color, el proceso que impulsa a un automóvil.

Propiedades observables

¿Cómo reconocemos los diferentes estados de la materia?

Por medio de la observación de las diferencias entre varias propiedades. Entre ellas:
 Densidad: Cantidad de materia por unidad de volumen
 Forma: Es fija, moldeable o toma la forma del recipiente
 Compresibilidad: Al aplicar presión ¿el volumen disminuye?
 Expansión térmica: Al calentarse ¿cambia el volumen?

Estado
Propiedad Sólido Líquido Gas
Densidad Grande Grande Pequeña
Forma Fija La del recipiente Llena el recipiente
Compresibilidad Pequeña Pequeña Grande
Expansión térmica muy pequeña Pequeña moderada

Algunas de las características que distinguen a los gases, de los líquidos y de los sólidos son:

 Los gases se expanden espontáneamente para llenar el recipiente que los contiene (el
volumen del gas es igual al del recipiente).
 Los gases se pueden comprimir fácilmente (disminuyendo su volumen).
 Los gases forman mezclas homogéneas unos con otros sin importar las identidades o
las propiedades relativas de los gases componentes ( e.g. los vapores de agua y
gasolina forman una mezcla homogénea en tanto que los líquidos no).
 Los gases tienen sus moléculas relativamente apartadas.

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Las sustancias que son líquidas o sólidas, en condiciones normales o estándar, pueden
convertirse a otras temperaturas en gases y se les conoce como vapores.

Figura 2.1: Estado de los elementos a 25 ºC

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

En la siguiente figura se pretende una clasificación de la materia, con algunos ejemplos

representativos.
Los elementos son sustancias simples que no pueden descomponerse en sustancias más simples
mediante reacciones químicas. Por lo tanto constituyen la clase de materia más simple que
puede existir a ciertas condiciones. En la actualidad existen 108 elementos conocidos los
cuales se encuentran descritos en la tabla periódica.

Los elementos se combinan unos con otros, en las reacciones químicas para formar Compuestos.
Un compuesto es una sustancia que se forma de dos o más elementos y en cada compuesto sus
elementos se hallan presente en la misma proporción de masa. Por ejemplo el agua se
constituye de dos elementos: hidrogeno y oxigeno, en una proporción de 1 parte de hidrogeno
por 8 partes de oxigeno.

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Figura 2.2: Diagrama de la clasificación de la materia

Los elementos y compuestos se consideran como sustancias puras debido a la constancia de su
composición. Por otra parte las mezclas pueden ser de composición variable. Las mezclas
pueden considerarse como homogéneos y heterogéneas. Una mezcla homogénea se conoce
como una solución y en todas ellas sus propiedades son uniformes. Se podría decir que las
soluciones constan de una sola fase. En consecuencia una fase se define como cualquier parte
de un sistema que tiene propiedades particulares y composición uniforme.

Una mezcla heterogénea no es uniforme. Un ejemplo de ello es el agua con el aceite. Si se

toma una muestra de una parte de la mezcla, se puede encontrar que tiene las propiedades del
aceite, mientras que la otra parte de la mezcla puede tener las propiedades del agua. Esta
mezcla consiste de dos fases: el aceite y el agua. Si se agrega un cubo de hielo a esta mezcla,
se tendría tres fases: el hielo (sólido), el agua (liquido) y el aceite (liquido). En todos estos
casos, se puede detectar la presencia de dos o más fases, puesto que existe un límite preciso
entre ellas.

Ejemplo 2.1
De estas sustancias indica cuáles son homogéneas y cuáles son heterogéneas: yeso, cemento,
orina, gasolina, mayonesa, aceite de cocina, arena.

Las propiedades de un compuesto y las de los elementos que lo forman pueden diferir mucho:

Nombre Fórmula P. ebullición densidad Otras

Hidrógeno H2 -253 0.90 Inflamable
Oxígeno O2 -297 1.14 Combustión
Agua H2O 100 1000 No inflamable

TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR DE LA MATERIA.

Es un modelo que usamos para explicar el comportamiento de la materia. Supone los siguientes
postulados:

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 La materia se compone de partículas muy pequeñas

 Estas partículas tienen energía cinética y por tanto están moviéndose continuamente
 Al aumentar la temperatura, la energía cinética de las partículas aumenta
 Cuando dos partículas chocan se transfiere energía de una a otra sin que haya un
cambio neto en la energía del sistema
 Las partículas pueden tener energía potencial debido a atracciones o repulsiones entre
ellas.

Comportamiento de las sustancias

Cuando tratamos de explicar el comportamiento de todas las sustancias, es necesario

considerar además de la energía cinética de las moléculas, la energía potencial de las mismas.

Es decir, la competencia entre varias fuerzas que son las que determinan el estado.
Esta, puede provenir de interacciones de diversos tipos:
 Carga-carga y enlace covalente
 Carga-dipolo
 Dipolo-dipolo
 Puentes de H
 Interacciones de Van der Walls

Las propiedades del estado sólido

 No son compresibles
 Las fuerzas entre partículas les impiden separase

Se conocen dos clases diferentes de sólidos:

 Cristalinos, tienen puntos de fusión definidos. Se modelan como arreglos ordenados de

moléculas, iones o átomos. Se dividen en cuatro clases: Iónicos, Covalentes,
Moleculares y Metálicos
 Amorfos, sin puntos de fusión definidos y se modelan como arreglos desordenados de
moléculas.

Figura 2.3: Representación de la estructura del NaCl

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Figura 2.4: Representación de la estructura del grafito

Figura 2.5: Representación de la estructura del hielo

Figura 2.6: Representación de la estructura de un sólido

amorfo

Las propiedades del estado líquido

 No son compresibles

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 No pueden representarse como arreglos

 Deben considerarse como desordenados
 Sus densidades son similares a las de los sólidos
 A pesar de que se tocan las partículas, se pueden mover aleatoreamente en cualquier
dirección
 Al moverse toman la forma del recipiente
 Las interacciones son intermedias

Figura 2.7: Representación de la estructura de un líquido

Algunas de las propiedades que se manifiestan como resultado de las fuerzas de interacción
entre las moléculas para el caso de los líquidos, son entre otras:

 Viscosidad: resistencia a fluir

 Tensión superficial: Atracción de las moléculas en la superficie
 Presión de vapor: Capacidad de las moléculas a escaparse del seno del líquido
 Punto de ebullición: Cuando la presión de vapor y la atmosférica son iguales.

Densidad de sólidos a (20ºC)

Sustancia Densidad (g/cm3) Sustancia Densidad (g/cm3)

Acero 7.7-7.9 Oro 19.31
Aluminio 2.7 Plata 10.5
Cinc 7.15 Platino 21.46
Cobre 8.93 Plomo 11.35
Cromo 7.15 Silicio 2.3
Estaño 7.29 Sodio 0.975
Hierro 7.88 Titanio 4.5
Magnesio 1,76 Vanadio 6.02
Níquel 8.9 Volframio 19.34
 
Densidad de líquidos a (20ºC)

Sustancia Densidad (g/cm3) Sustancia Densidad (g/cm3)

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Aceite 0.8-0.9 Bromo 3.12

Ácido sulfúrico 1.83 Gasolina 0.68-0.72
Agua 1.0 Glicerina 1.26
Agua de mar 1.01-1.03 Mercurio 13.55
0.866
Alcohol etílico 0.79 Tolueno

Las propiedades del estado gaseoso

Las partículas tienen suficiente energía para vencer las fuerzas de interacción moleculares, de
manera que:

 Son compresibles
 No se pueden modelar con arreglos moleculares repetidos
 Cada partícula queda completamente separada de las otras
 Las densidades de estos materiales son pequeñas
 Llenan completamente el recipiente que los contiene.

Las propiedades de los gases se han estudiado muy extensamente. De ahí se han obtenido las
relaciones entre, la presión, la temperatura, el volumen y la cantidad de materia.

A estas relaciones les llamamos Leyes de los gases. Para entenderlas tendremos que repasar
algunos conceptos.

Densidad de un fluido

La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que
ocupa.
m

V
La unidad de medida en el SI. de Unidades es kg/m 3, también se utiliza frecuentemente la
unidad g/cm3

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La densidad es una propiedad característica de la materia y se representa con las letras d, D,

dyr

masa m
densidad    
Volumen V
g g
Unidades: o , recuerda que 1cm  1mL
cm 3
mL
Algunas otras densidades

Especie g / cm3 Especie g / cm3

Aire 0.0013 huesos 1.7 - 2.0
Agua 1.0 orina 1.01 - 1.03
Oro 19.3 gasolina 0.66 - 0.69

Ejemplo 2.2

¿Cuál es la densidad de 5.00 mL de suero si tiene una masa de 5.23 g?

d = masa / volumen

d = 5.23 g / 5.00 mL
d = 1.05 g / mL

¿Cuál será la masa de 1.00 L de este suero?

Rpta: 1,050 g.

Concepto de presión

Se define presión como el cociente entre la componente normal

de la fuerza sobre una superficie y el área de dicha superficie.

La unidad de medida recibe el nombre de pascal (Pa).

La fuerza que ejerce un fluido en equilibrio sobre un cuerpo sumergido en cualquier punto es
perpendicular a la superficie del cuerpo. La presión es una magnitud escalar y es una
característica del punto del fluido en equilibrio, que dependerá únicamente de sus
coordenadas.

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En la figura, se muestran las fuerzas que ejerce un

fluido en equilibrio sobre las paredes del recipiente y
sobre un cuerpo sumergido. En todos los casos, la
fuerza es perpendicular a la superficie, su magnitud y
el punto de aplicación se calculan a partir la ecuación
fundamental de la estática de fluidos.

La gravedad específica

Es la densidad de una sustancia comparada a una sustancia de referencia

densidad de la sustancia
gravedad especifica =
densidad de referencia

Propiedades:
No tiene unidades
El material de referencia es normalmente el agua a 4 °C

CAMBIOS DE ESTADO

Una sustancia puede cambiarse de un estado a otro, añadiendo o quitando energía del sistema.
Cuando es necesario añadir energía para que ocurra el cambio, llamaremos al cambio:

 Endotérmico: Cuando por el contrario, se requiere quitarle energía al sistema para que
ocurra, conoceremos al cambio como:
 Exotérmico: Evidentemente que este mismo concepto es aplicable a las reacciones
químicas.

Cambios endotérmicos de estado

 Sublimación: conversión directa de sólido a gas.

Sublimación del hielo seco

CO2 (s) CO2 (g)

 Fusión: Conversión de sólido a líquido
Fusión del hielo:

H2O(s) H2 O (l)

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 Evaporación: Conversión de líquido a gas

Ebullición de agua:

H2O (l) H2O (g)

La mayoría de los materiales funden antes de evaporarse al subir su temperatura.

Cambios exotérmicos de estado

 Condensación: Conversión de un gas a líquido (Licuefacción) o sólido.

 Vapor de agua a agua líquida:

H2O (g) H2O(l)

 Cristalización: Conversión de un líquido a un sólido (Congelación)
 Formación de hielo:

H2O (l) H2O(s)

La mayoría de los materiales primero condensan a líquidos y después se hacen sólidos.

Cambios de estado y fuerzas atractivas

Conforme las fuerzas atractivas entre moléculas se hacen mayores, es necesaria más energía
para separarlas. Como resultado de ello, los puntos de ebullición, fusión y presiones de vapor se
hacen mayores.

Compuesto Tipo P.f. P.e.

N2 Covalente no polar -210 -196

O2 Covalente no polar -219 -183

NH3 Covalente polar -78 -33

H2O Covalente polar 0 100

NaCl iónico 800 ?

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Presión de Vapor (Pv)

Es la medida de la presión que tiene un vapor que está en equilibrio con su sólido o su líquido.

Punto de ebullición (Peb)

Se define como la temperatura en que la presión de vapor de un líquido es igual a la presión

atmosférica.

Punto de ebullición y altitud

Ciudad Altitud P. ebullición
Callao nivel del mar 100.0 ºC
Chachapoyas 2400 m 90.6 ºC
Ciudad de México 2200 m 93.1 ºC
La Paz Bolivia 3900 m 89.6 ºC
Monte Everest 8800 m 76.5 ºC

Calor específico (Ce)

Se define como la cantidad de calor que se requiere para hacer subir la temperatura de una
sustancia 1ºC. Depende del estado de cada sustancia.

En el siguiente cuadro se muestra los calores específicos de algunas sustancias mas usadas en
química:

Sustancia J / g Sustancia J / g

Al0 1.0 H2O (s) 2.1

Cu0 0.4 H2O (l) 4.2
H0 14.2 H2O (g) 2.0
Hg0 0.1 Cl2 (g) ?

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PROBLEMAS PROPUESTOS N° 2

2.1 Quien tiene una temperatura más alta, una muestra de agua a 65°C o una muestra de
hierro a 65°F?
2.2 Normalmente el cuerpo humano puede soportar una temperatura de 105°F por
periodos cortos sin sufrir daños al cerebro y órganos vitales. Cual es esta temperatura
en grados Celsius?

2.3 Un lingote de hierro que pesa 3600 lb descansa sobre una base que es un rectángulo
de 4,8 pulgadas x 3,2 pulgadas. Calcular la presión sobre esta base en lb/pulg2.

2.4. Usted abre una lata de refresco y el gas dióxido se expande rápidamente al salir de la
lata. Describa estos cambios en términos de la teoría cinética molecular.
2.5 Cual es el costo de 80 litros de cera liquida de densidad 0,68 g/cm 3, que se vende en
0,80 soles el Kg.
2.6 Cierto volumen de alcohol se le agrega cierta cantidad de agua resultando una mezcla
de densidad 0,85 g/cm 3, si el volumen del agua representa la cuarta parte del volumen
de la mezcla. Hallar la densidad del alcohol puro en g/cm 3 (asumir densidad del agua 1
g/cm3).
2.7 Un trozo de 20,0 g de metal a 203°C se introduce en 100 g de agua a 25°C. La
temperatura del agua sube a 29°C. calcular el calor específico del metal. Suponga que
todo el calor perdido por el metal pasa al agua y que no se cede calor a los alrededores.
2.8 El diámetro de los alambres metálicos suele expresarse como el número
correspondiente a la norma americana para alambres (gauge); un alambre de 20 gauge
tiene un diámetro de 0,03196 pulg. Cuantos metros de alambre hay en un carrete de
una libra de alambre de cobre de 20 gauge. La densidad del cobre es 8,96 g/ mL.
2.9 Un cuerpo se encuentra a 50°C y aumenta su temperatura en 26,57 R para luego
disminuir en 5.5 K. La temperatura final expresada en °F es?
2.10 Un termómetro malogrado registra 200 °F par el agua hirviendo y 2°F para la
temperatura de fusión del hielo. Cuando este termómetro registra 100°. Cual será la
temperatura verdadera?
2.11 A que profundidad esta situado un buzo que soporta una presión de 10,33 m de agua.

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2.12 Una columna de Hg ejerce una presión de 0,85 atm cuando el tubo esta en la posición
vertical. Cual será la presión que ejercerá el Hg cuando el tubo se inclina 45° con
respecto a su posición vertical?
2.13 Un tubo de prueba de 30 cm de altura se le llena con Hg alcanzando una altura de 20
cm y se completa con agua. Calcular la presión que soporta el fondo debido a los dos
líquidos?
2.14 La presión debida al agua en la parte alta de las tuberías de un edificio es 5,8 kg/cm 2 y
en la parte baja es 7 kg/cm 2, sabiendo que cada piso tiene una altura de 3 m. Cuantos
pisos tiene el edificio?
2.15 Una maquina que trabaja dentro del agua, puede soportar una presión hasta 8 atm. Cual
es la profundidad máxima en la que puede sumergir en el mar?

Ing. Wanhin O. Aguilar Herrera 47