Estructura de la Materia

MATERIA

La Química se ocupa del estudio de la materia en lo que se refiere a su naturaleza, composición y transformaciones. No puede darse una definición de la materia mediante conceptos corrientes, es más sencillo describir la materia por las propiedades que son comunes a todos los cuerpos materiales.

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.

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 intensivas, 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 118 elementos actualmente conocidos,30 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.

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