Fundamentos científicos que justifican las observaciones experimentales del taller:

– LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES

– UN MODELO ESCOLAR DE MATERIA

 – SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS 

– LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

– LA FLOTABILIDAD

LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES

Materia es todo aquello que posee una masa y ocupa un espacio o lo que es lo mismo, tiene un volumen.

La materia tiene unas propiedades que, por una parte, la distinguen de todo aquello que no es materia y por otra permiten discriminar entre sistemas materiales.

Las propiedades generales de la materia permiten distinguir los sistemas materiales de los inmateriales.  

Son propiedades generales  la masa, el volumen y la temperatura.

La masa de un objeto es la cantidad de materia que tiene. Nos referimos aquí simplemente a la masa inercial (m), o sea la inercia que presenta un objeto material al movimiento (cuando se le aplica una fuerza), es decir la relación entre la fuerza aplicada (F) y la aceleración de su movimiento (a); m=F/a. En Física es una magnitud fundamental y en el Sistema Internacional de Unidades (SI) su unidad fundamental es el kilogramo (kg).

El volumen de un objeto es la cantidad de espacio que ocupa. Es una magnitud derivada (longitud x longitud x longitud) y en el SI su unidad fundamental es el metro cúbico (m³).

La temperatura es una magnitud fundamental de la Física que expresa el grado de frío o calor de los cuerpos o del ambiente. La temperatura de un cuerpo está relacionada con su energía interna. La unidad de temperatura en el SI es el kelvin (K).

Las propiedades específicas de la materia permiten distinguir unos sistemas materiales de otros. Por ejemplo,

La densidad de un objeto (d) es la relación entre la masa del objeto m) y el volumen que ocupa (V); d=m/V. Su valor se expresa como, unidad de masa/unidad de volumen.

La compresibilidad de un objeto es la relación entre el cambio de volumen que experimenta al aplicársele una presión y la presión aplicada. Su valor se expresa como unidad de volumen/unidad de presión.

La conductividad térmica, la conductividad eléctrica, las temperaturas de ebullición y fusión son también ejemplos de propiedades específicas de la materia.

 UN MODELO ESCOLAR DE MATERIA

Para poder entender el comportamiento observable de la materia se necesita tener un modelo. El modelo de materia que se utiliza en el mundo científico, y del que aquí se presenta una versión simplificada (modelo escolar de materia), ha sido construido a lo largo de los años por la comunidad científica a partir de las evidencias experimentales observadas. En ciencias esta teoría que justifica el modelo de materia se denomina Teoría Cinética de la Materia o Teoría Cinético Molecular (TCM), inicialmente postulada sólo para los gases ideales y posteriormente ampliada a medida que el avance de la ciencia y la tecnología ha traído un mayor conocimiento de la materia a nivel microscópico.

Básicamente el Modelo Escolar de Materia se resume en:

• • La materia no es continua, sino que está compuesta por partículas muy pequeñas.
  • Las partículas más pequeñas que condicionan el comportamiento macroscópico de la materia se denominan moléculas.
  • Las moléculas tienen una masa y un volumen.
  • La masa de un sistema material es la suma de las masas de las moléculas que contiene.
  • El espacio entre las moléculas de un sistema material está vacío.
  • Las moléculas se forman por unión de átomos.

Figura 1. Las partículas de la materia agua están formadas por dos átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno y formando entre ellos un ángulo aproximado de 104º.

• • Las moléculas interaccionan entre si mediante fuerzas de cohesión (fuerzas intermoleculares)
  • El tipo y la intensidad de las fuerzas entre las moléculas depende del tipo concreto de moléculas que interaccionan.
  • Las moléculas están siempre en movimiento. Se trasladan unas con respecto a las otras y chocan entre ellas teniendo, por tanto, una determinada velocidad y una energía cinética. Este movimiento molecular se denomina browniano. 

Figura 2. Simulación del movimiento de traslación molecular. Evidentemente la velocidad real de las moléculas es billones de veces mayor que el que se muestra en la imagen. La imagen está tomada de Wikipedia: agitación térmica. 

• • La temperatura de un sistema material está relacionado con la energía cinética promedio de sus moléculas (Energía Térmica). La agitación térmica y la temperatura están relacionadas.

SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS

Los sistemas materiales se dividen en dos grandes grupos: las sustancias y las mezclas de sustancias.

En las sustancias todas las moléculas que forman el material son idénticas. No es necesario agregar el calificativo de “pura” ya que todas las sustancias son puras, por definición.

Figura 3. En el oro, sólo hay átomos de oro, en el diamante y el grafito sólo hay átomos de carbono unidos de diferente manera, en el agua sólo hay moléculas H₂O.

Hay tantos tipos de moléculas como de sustancias. En ocasiones se representan de forma esquemática con los átomos en forma de bola y las uniones en forma de bastones (partes superior figura 4) en ocasiones también se representa el volumen que ocupa la molécula y se colorea resaltando alguna propiedad microscópica. En la figura 4 el color se corresponde con densidad de carga eléctrica negativa (rojo) o positiva (azul).

Figura 4. Representaciones moleculares

En las mezclas de sustancias, como su nombre indica, el material está formado por moléculas distintas, o sea moléculas de sustancias distintas. A su vez, en las mezclas también pueden diferenciarse varios tipos.  

Hay mezclas homogéneas, es decir que tienen las mismas propiedades específicas en cualquier punto de la mezcla que se considere. A este tipo de mezclas se les denomina disoluciones y si se observaran microscópicamente, se comprobaría que las moléculas de las diversas sustancias componentes están distribuidas de manera uniforme por todo el material, es decir que la composición del material es la misma en cualquier trozo se considere, aunque este trozo sea infinitamente pequeño. Las disoluciones también se presentan en sistemas sólidos. En este caso se denominan aleaciones.

Figura 5. En el agua del grifo hay disueltas pequeñas cantidades de sales y sustancias potabilizadoras. El bronce es una aleación de cobre y estaño. El alcohol sanitario es una disolución de alcohol en agua. El aceite alimentario es una mezcla de diversos ácidos grasos.

En el otro extremo están las mezclas heterogéneas. A simple vista puede observarse, bien por su color, bien por su textura o cualquier otro tipo de propiedades específicas, que el material está formado por diversas sustancias. 

Figura 6. En Sistemas materiales heterogéneos. Si el zumo de naranja no está filtrado, pueden apreciarse pequeñas partes sólidas de la pulpa de la fruta

El que dos sustancias diferentes formen disoluciones (sean solubles) o no dependerá de la magnitud relativa de las fuerzas intermoleculares que se establecen entre las moléculas iguales (misma sustancia, soluto) y las moléculas distintas (diferente sustancia, soluto y disolvente). Evidentemente todo proceso de disolución requiere un tiempo para que las moléculas se dispersen por todo el sistema. La agitación favorece el contacto molecular de ambas sustancias y por tanto, favorece el proceso de disolución.

Figura 7. La sal común (cloruro sódico, NaCl) es muy soluble en agua. Esquema de la distribución molecular al poner una cucharada de sal en agua (izquierda) y de la distribución tras la agitación y disolución de la sal (derecha)

La solubilidad de las sustancias no está relacionada con sus densidades, sino con el tipo de material que sea. Es decir, con el tipo de moléculas que se ponen en contacto y, en consecuencia, con el tipo de fuerzas intermoleculares que se ejercen.

Entre las disoluciones “verdaderas” y las mezclas heterogéneas nos encontramos con situaciones intermedias. Hay mezclas que cuando las observamos macroscópicamente las vemos como un sistema homogéneo. Las propiedades del material son las mismas, independientemente de la parte concreta del material que consideremos, siempre que esta parte tenga dimensiones macroscópicas. Ahora bien, cuando a nivel microscópico observamos la mezcla, podemos diferenciar partes distintas con propiedades distintas. Este es el caso de los coloides.  En algunos textos se los denomina disoluciones coloidales y son una situación intermedia entre una verdadera disolución y una mezcla heterogénea. En los coloides el tamaño de partícula del “soluto” oscila entre 1 y 100 nm. En sistemas líquidos, la aparición de turbidez o simplemente la opacidad del sistema es característico de una mezcla coloidal.

Figura 8. La leche, la sangre, el jabón líquido, la gelatina son coloides, observadas macroscópicamente parecen mezclas homogéneas.  

 Nota: en el currículo de Conocimiento del Medio Natural de la etapa de Educación Primaria del sistema educativo español, los saberes básicos “Sustancias y mezclas” quedan dentro del primer ciclo que corresponde a niños entre los 6 y 8 años. La clasificación de los materiales se hace por observación, atendiendo exclusivamente a su aspecto macroscópico. No parece adecuado introducir en esta etapa el concepto de coloide y nos parece aceptable interpretar que algunos sistemas coloidales (leche, gelatina, …) se clasifiquen, en este primer ciclo, como mezclas homogéneas. En posteriores etapas ya se introducirá la cuestión de la dispersión de luz y el aspecto del tamaño de partícula.

LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

La materia se presenta en tres estados de agregación: sólido, líquido y gas.

Nota. En este curso, por razones obvias, no haremos mención del cuarto estado de la materia, el estado de plasma.

• Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.
• Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen
• Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión

Los gases y los líquidos son fluidos, no tienen forma fija.

En términos de TCM, lo que equivale a nuestro modelo escolar de materia, la descripción de los tres estados de agregación quedaría como sigue:

 LA FLOTABILIDAD

Se dice que un objeto flota en un fluido (líquido o gas) cuando puede sostenerse sobre o dentro del fluido sin hundirse.  El currículo de primaria recomienda explicar la flotabilidad de un objeto en función de la diferencia de densidad entre el objeto y el fluido.

Pensemos que cuando un objeto se introduce en un fluido hay varias fuerzas a las que está sometido. Por una parte, está la fuerza gravitatoria y por otra, la fuerza que ejercen sobre él las partículas del líquido que chocan con el cuerpo en todas direcciones.  Por unidad de volumen, la fuerza gravitatoria (o peso) sobre un objeto depende de su densidad. Recordemos que P=m x g, siendo g la aceleración en el campo gravitatorio. En la Tierra g= 9,8 m/s²

Al introducir un cuerpo en un fluido desplazamos el volumen de fluido que ocupa ahora el cuerpo. Si el cuerpo y el fluido tienen exactamente la misma densidad, el balance de masa desalojada es exactamente igual y la resultante de las fuerzas es la misma. El objeto se mantiene en el seno del fluido sin hundirse. Si la densidad del objeto fuera menor que la del fluido, el balance de masas seria negativo (masa del objeto-masa del fluido desalojado) y el resultado sería una fuerza de empuje que tendería a expulsar al objeto del seno del fluido. Por el contrario, si el balance de masa fuera positivo, la fuerza gravitatoria sería predominante sobre el objeto y éste se hundiría. Esto es lo que expresa el Principio de Arquímedes de flotabilidad de los cuerpos en un fluido. En este curso no se hablará de este principio.

Los experimentos que se realizan en este taller ponen de manifiesto la relación entre flotabilidad y densidad.