Estados de la Materia y Teoría Cinética
Estados de Agregación
La materia se presenta en cuatro estados principales, definidos por su forma y volumen:
- Sólido: Mantiene una forma y un volumen fijos (ej. una pared).
- Líquido: Mantiene su volumen, pero adapta su forma al recipiente que lo contiene (ej. aceite).
- Gaseoso: Cambia tanto en forma como en volumen.
- Plasma: Cambia en forma y volumen. Es un estado de alta excitación.
Diferencia entre Gas y Plasma
La diferencia fundamental radica en la ionización. En la materia gaseosa, los electrones se retienen alrededor del núcleo. En el plasma, debido al alto estado de excitación de la materia (alta temperatura), los electrones se separan del núcleo, creando un gas ionizado. Por ejemplo, el Sol es un plasma gigante.
Teoría Cinética Molecular
Esta teoría relaciona los distintos estados de agregación con la temperatura (T) y el movimiento de las moléculas o de los átomos en su interior. La temperatura de un cuerpo es una medida del movimiento de sus partículas:
- Cuando la temperatura sube, las partículas se mueven con más energía.
- Cuando la temperatura baja, las partículas se mueven más lento.
El Enlace Químico y la Temperatura
El enlace químico es la fuerza que mantiene unidos a los átomos de una molécula. La energía cinética de las partículas afecta directamente la estabilidad de estos enlaces:
- Si la temperatura sube, las partículas se mueven con más energía, por lo que es más difícil mantener los enlaces unidos.
- Si la temperatura baja, las partículas se mueven de forma más estable y los enlaces son más fuertes.
Relación entre Enlaces y Estados
- Sólidos: Mantienen sus enlaces estables. Las partículas no pueden moverse de su sitio, tan solo vibran. Esto se mantiene siempre y cuando la temperatura sea baja.
- Líquidos: Los enlaces que pueden establecer las moléculas son débiles. El movimiento de las partículas impide que se establezcan enlaces fuertes; son enlaces que se crean y se destruyen muy rápido.
- Gases: Los enlaces se rompen. Las partículas pueden moverse libremente, por lo que el gas no mantiene la forma ni el volumen. Si las partículas chocan, rebotan.
El Cero Absoluto
El cero absoluto es la temperatura a la cual las partículas de una sustancia no tienen ningún movimiento. Equivale a 0 Kelvin (K), lo que corresponde aproximadamente a -273.15 °C.
Nota: No existen los Kelvin negativos. Es imposible que la temperatura baje de -273.15 °C.
Mezclas y Disoluciones
Sustancia Pura y Mezcla
Una sustancia pura es aquella que está formada por un solo tipo de átomo, un solo tipo de molécula o, a veces, un solo tipo de red cristalina.
Una mezcla es la unión física de varias sustancias (átomos, moléculas, etc.) en un mismo cuerpo material.
Tipos de Mezclas
- Mezcla Heterogénea: Se pueden diferenciar los componentes a simple vista.
- Mezcla Homogénea (Disolución): Los componentes no se pueden diferenciar a simple vista. A estas también se les llama disoluciones. Cuando estas mezclas se solidifican, pueden formar estructuras cristalinas o aleaciones.
Componentes de una Disolución
Para que se forme una disolución, al menos uno de los dos compuestos debe ser un fluido. Se diferencian dos componentes:
- Disolvente: El compuesto mayoritario.
- Soluto: El compuesto minoritario.
Concentración
La concentración es la cantidad de soluto que hay presente en una disolución.
Métodos de Separación de Mezclas
Estos procesos se utilizan para separar los componentes de una mezcla, aprovechando sus diferentes propiedades físicas.
Evaporación
Una sustancia en estado líquido se transforma en estado gaseoso (vapor) al adquirir la energía suficiente para liberarse de las fuerzas que la mantienen unida.
Destilación
Implica dos procesos: primero la evaporación y luego la condensación. Por ejemplo, para separar agua de alcohol, se evapora la mezcla; solo el alcohol sube (por tener un punto de ebullición menor), y luego se condensa para volver a ser líquido puro.
Decantación o Sedimentación
Se utiliza para separar dos compuestos basándose en su densidad ($d = m/V$).
- Si la densidad es mayor, la sustancia se hundirá (sedimentación).
- Si la densidad es menor, la sustancia subirá (decantación).
Ejemplo: arena con agua.
Filtración
Se usa cuando un líquido contiene partículas sólidas en suspensión. El líquido pasa a través de un filtro que retiene las partículas sólidas. Ejemplo: las cápsulas de café.
Tamización
Se utiliza cuando los dos compuestos son sólidos de diferente tamaño. Se separan utilizando un tamiz (colador).
Centrifugación
Se basa en la densidad, pero en lugar de la fuerza de gravedad, se utiliza la fuerza centrífuga, obtenida al hacer girar la muestra a alta velocidad. Sirve, por ejemplo, para separar células del plasma sanguíneo.
Imantación
Se utiliza si uno de los componentes es un material ferromagnético (como el hierro), el cual puede ser separado mediante un imán.
Estructura Interna de la Materia
Origen del Concepto de Átomo
Cuando se originó el universo, en los primeros instantes, la materia no existía, solo existía la energía. Cuando esta se enfrió, apareció la materia. Los filósofos se preguntaron de qué estaban hechas las cosas y dieron la idea de a-tomo, que significa «sin partes».
Definieron que un átomo debía ser la parte más pequeña de la materia, una que no se puede seguir dividiendo y que conserva sus propiedades físicas originales.
Partículas Subatómicas
El átomo está compuesto por tres partículas subatómicas:
- Protones: Tienen masa y se sitúan en el núcleo.
- Neutrones: Tienen masa y se sitúan en el núcleo.
- Electrones: Se localizan en la corteza y su masa es despreciable.
Modelo Cuántico y Números Atómicos
En el modelo cuántico, los electrones no giran siempre en la misma órbita, sino que se localizan en regiones donde existe la mayor probabilidad de encontrarlos (orbitales).
Números Clave
- Número Atómico (Z): Representa el número de protones que tiene el núcleo del átomo. Es el número que identifica al elemento.
- Número Másico (A) o Masa Atómica: Representa la suma del número de protones más el número de neutrones que se encuentran en el núcleo de un átomo.
Cálculo de Partículas
Dado Z (número atómico) y A (número másico):
- Protones = Z
- Neutrones = A – Z
- Electrones = Z (en un átomo neutro)
Configuración Electrónica
La configuración electrónica de un átomo es el modo en el que están distribuidos los electrones alrededor del núcleo. Se utiliza el Diagrama de Möller para determinar esta distribución.
Fórmulas de Concentración
Las siguientes fórmulas se utilizan para expresar la concentración de una disolución:
Concentración en Masa/Volumen
$$[Masa/Volumen] = \frac{\text{Masa del soluto (g)}}{\text{Volumen de la disolución}}$$
Porcentaje en Masa o Volumen
$$\% \text{Masa (o Volumen)} = \frac{\text{Masa (o Volumen) del soluto}}{\text{Masa (o Volumen) de la disolución}} \times 100$$
Molaridad (M)
La molaridad es la cantidad de moles de soluto por litro de disolución.
$$M = \frac{\text{n moles de soluto}}{\text{Volumen de la disolución (L)}}$$
Cálculo de Moles
$$\text{n moles} = \frac{\text{Masa}}{\text{Masa Molecular}}$$
Nota: La Masa Molecular se calcula sumando las masas atómicas de todos los átomos presentes en la molécula (multiplicando por el subíndice si es necesario).