TEMA 7. LA MATERIA. COMPOSICION Y ESTRUCTURA.

1 1 TEMA 7. la materia . COMPOSICION Y ESTRUCTURA. Mario Melo Araya Ex Profesor de la Universidad de Chile materia Y ESPECIES MATERIALES. Todos los cuerpos que nos rodean, sean vivientes o no vivientes son materiales, es decir, el espacio que ocupan, espacio dado por su volumen, es llenado por la materia . Dicho de otro modo, la materia es el constituyente universal de todos los cuerpos. Adem s de ocupar un volumen la materia tiene otras propiedades, tales como, masa, energ a, presi n, temperatura, densidad, etc. Debe admitirse, sin embargo, la existencia de una enorme variedad de especies materiales diferentes, dadas las diferencias en propiedades, estructura y composici n qu mica que se observa en la gran variedad de cuerpos existentes. En efecto, los diferentes cuerpos son mezclas de diferentes especies materiales, identificables por medio del an lisis qu mico. Dichas especies materiales son las substancias qu micas. Por ejemplo, el nitr geno, el ox geno, el arg n, el di xido de carbono, el agua (vapor), etc.

2 Son substancias gaseosas que se encuentran mezcladas en el aire. Una de las preocupaciones de los qu micos es la de conocer la composici n qu mica de los cuerpos, as como, la composici n, estructura y propiedades de todas las substancias qu micas, pues de tales conocimientos depender su aprovechamiento. La composici n y estructura de las sustancias qu micas se investiga, en la actualidad, empleando t cnicas f sico-qu micas de an lisis. materia Y SU ESTRUCTURA El comportamiento que presenta la materia , en general, se explica postulando que tiene una estructura discontinua, discreta; es decir, una estructura constituida por aglomeraciones de much simas part culas materiales muy peque simas. Entre las part culas qu micamente distinguibles se tienen los tomos, las mol culas y los iones. Las mol culas y los iones est n constituidos tambi n por tomos y los tomos, a su vez, por part culas a n m s peque as, indistinguibles qu micamente: protones, neutrones y electrones, considerando la estructura m s simple.

3 Las mol culas son las part culas constituyentes de las substancias moleculares (agua, sacarosa, glucosa, etc.) y los iones, las part culas constituyentes de las substancias i nicas, tales como, las sales por ejemplo. Los tomos son part culas con una estructura muy compleja con un n cleo central muy peque o y una corteza exterior a gran distancia. El n cleo contiene un n mero Z de pro-2 tones y un n mero N de neutrones. La suma de protones y neutrones se llama n mero m sico A, o sea A = Z + N. En la corteza se ubican, tambi n, Z electrones. El n mero Z se llama N mero at mico y es el que identifica al tomo. Los protones tienen una carga el ctrica positiva igual a la carga elemental e, aproximadamente igual a 189 x 10-19 C. El n cleo at mico entonces tiene una carga el ctrica igual a Ze. Los electrones extranucleares tienen la misma carga el ctrica e, pero negativa. Por lo tanto, la carga el ctrica de la corteza es -Ze, y la del tomo ser : Ze - Ze = 0, pues en el tomo neutro el n mero de protones es igual al n mero de electrones.

4 Si el n mero de electrones es mayor o menor que Z, el tomo tendr una carga el ctrica negativa o positiva respectivamente. Todo tomo cargado de electricidad es un i n. Los iones positivamente cargados se llaman cationes y los negativamente cargados, aniones. Por ejemplo, para el tomo de Magnesio, Z = 12, tiene 12 protones y 12 electrones. Si pierde dos electrones de la corteza quedar a con una carga positiva igual a 2e, pues 12 e - 10 e = 2 e i n Mg2+ Para el tomo de cloro, Z = 17. Tiene 17 protones y 17 electrones. Si gana un electr n quedar a con una carga negativa igual a -e, pues 17 e - 18 e = - e i n Cl- En general, la carga de un i n es z e. El n mero z se llama n mero de carga del i n. Por otra parte, la masa de un electr n es alrededor de 1837 veces menor que la masa del prot n o la del neutr n, por lo tanto pr cticamente toda la masa del tomo se halla concentrada en el n cleo at mico.

5 CANTIDAD DE materia , CANTIDAD DE SUSTANCIA O CANTIDAD DE PARTICULAS. La cantidad de materia , o mejor dicho, la cantidad de part culas contenida en una porci n de materia , se expresa en moles, del mismo modo como la cantidad de manzanas que hay en una canasta, por ejemplo, se expresa en docenas. El mol y la docena son unidades de cantidad de elementos de un conjunto; s lo difieren en el n mero utilizado en su definici n. La docena utiliza el n mero 12, en cambio, el mol, el n mero 602 mil trillones aproximadamente. As por ejemplo, si un vaso con agua contiene 5 x 602 mil trillones de mol culas de agua, se dice que contiene 5 moles3 de mol culas de agua; del mismo modo que si una canasta contiene 5 x 12 manzanas, se dice que contiene 5 docenas de manzanas. 1 docena de manzanas contiene 12 manzanas 1 mol de part culas contiene 602 mil trillones de part culas El uso de un n mero tan grande para definir el mol, se justifica por el hecho de que ordinariamente se opera con montones de part culas que contienen grandes cantidades de ellas por ser demasiado peque simas.

6 As por ejemplo, s lo en 18 gramos de agua se tienen, aproximadamente, 602 mil trillones de mol culas de agua (1 mol de mol culas de agua). Para apreciar lo extremadamente grande que es este n mero (y con ello la extremada peque ez de las part culas constitutivas de la materia ) imaginar un granero que contiene 600 mil trillones (6 x 1023) de granos de trigo y que para vaciarlo se utiliza una m quina extractora que extrae mil millones (1 x 109) de granos en cada segundo. Calcular el tiempo que demorar a esta m quina en vaciar totalmente el granero, trabajando ininterrumpidamente, sin parar. Respuesta: aproximadamente 19 millones de a os. Com- probar esta respuesta. Conviene se alar que no hay que confundir la cantidad de materia que tiene un cuerpo (cantidad que se expresa en moles, milimoles, kilomoles, etc.) con la masa que tiene (masa que se expresa en gramos, miligramos, kilogramos, etc.), pues se trata de magnitudes f sicas dimensionalmente diferentes.

7 No es correcto, por lo tanto, definir masa como la cantidad de materia de un cuerpo; una confusi n que debe evitarse. Considerando las distancias que separan las part culas materiales constituyentes de un cuerpo, distancias que dependen de la temperatura y de la presi n, la materia puede presentarse en varios estados de agregaci n a la temperatura y presi n ordinarias: los estados s lido, l quido y gaseoso. En el estado s lido las part culas constituyentes se encuentran tan aglomeradas que no pueden desplazarse entre s ; pero vibran en torno a sus posiciones de equilibrio. En el estado l quido las part culas constituyentes se encuentran m s distanciadas entre s y gozan de cierto grado de desplazamiento a trav s de los espacios que las separan. En el estado gaseoso las part culas constituyentes se encuentran muy separadas entre s y pueden desplazarse libre y r pidamente en todas direcciones. SUBSTANCIAS QUIMICAS Las investigaciones relacionadas con la composici n de la materia han llevado a identificar a varios cientos de miles de especies materiales diferentes; son las substancias qu micas, cuyas composiciones vienen dadas simb licamente por medio de sus correspondientes f rmulas qu micas.

8 Por eso, por definici n, una substancia qu mica es toda especie material de f rmula qu mica y propiedades definidas. Algunos ejemplos se dan en la Tabla 14 TABLA 1 SUBSTANCIA QUIMICA FORMULA QUIMICA PARTICULAS CONSTITUTIVAS Agua Amon aco Glucosa Ox geno Ozono Cloruro de sodio Sulfato de aluminio Diamante Grafito Sodio Etc. H2O NH3 C6H12O6 O2 O3 NaCl Al2(SO4)3 C C Na mol culas de agua mol culas de amon aco mol culas de glucosa mol culas de ox geno mol culas de ozono iones Na+ y iones Cl- iones Al3+ y iones SO42- tomos de carbono tomos de carbono tomos de sodio La disposici n, en la red cristalina, de los tomos de carbono en el diamante es diferente a la del grafito, lo que explica las diferentes propiedades que presentan. Un cuerpo, o una porci n de materia puede contener s lo una sustancia qu mica (cuerpo puro) o varias sustancias mezcladas (ver Cuadro 1) CUADRO 1 CUERPO CUERPO PURO MEZCLA Contiene s lo una sustancia Contiene dos o m s sustancias qu mica (Pureza 100%) qu micas en proporci n variable A la temperatura ordinaria, pue- Cada componente conserva sus de ser s lido, l quido o gaseoso propiedades individuales Los componentes pueden sepa- rarse por procedimientos f sicos5 Una mezcla puede ser homog nea o heterog nea, seg n que conste de una o m s fases.

9 Toda mezcla de substancias, macrosc picamente homog nea, es una disoluci n o soluci n. Por lo general, la substancia que se encuentra en mayor proporci n se llama disolvente o solvente y las que se encuentran en menor proporci n, solutos. Por ejemplo, una soluci n de az car en agua, el agua es el disolvente y el az car, el soluto. Generalmente se manejan expresiones cualitativas, tales como, soluci n concentrada o dilu da, cuando la cantidad de soluto es grande o peque a respectivamente. Existen, no obstante, diversas magnitudes f sicas que expresan cuantitativamente la composici n de una disoluci n. Tales magnitudes relacionan la cantidad de soluto con el volumen de la soluci n (concentraci n de cantidad del soluto), o la masa de soluto con el volumen de la soluci n (concentraci n m sica del soluto), o la cantidad de soluto con la masa de solvente (molalidad del soluto), o la masa de soluto con la masa de disoluci n (fracci n m sica del soluto), etc.

10 (Tema 17). LOS COMPONENTES ELEMENTALES DE LAS SUBSTANCIAS QUIMICAS Las investigaciones relacionadas con la composici n de las substancias qu micas condujeron, por una parte, al descubrimiento de las leyes de las combinaciones qu micas, seg n las cuales, la composici n de las substancias qu micas es constante, es siempre la misma. Para explicar estas leyes, J. Dalton propuso su Teor a At mica en los comienzos del siglo XIX. Por otra parte, estas investigaciones tambi n condujeron al descubrimiento de los componentes primarios o elementales de todas las substancias qu micas. Tales componentes primarios son los elementos qu micos.. Comparado con los cientos de miles de substancias qu micas conocidas, el n mero de elementos qu micos es muy reducido. Poco m s de cien, de los cuales unos noventa son naturales. Una lista completa de ellos se da en el Ap ndice. Los elementos qu micos se representan por medio de s mbolos, los cuales corresponden a abreviaturas de sus nombres latinos.