LA MATERIA

La materia



1. Introducción


Las sustancias que conocemos son muy variadas; algunas sin forma como el aire, otras duras como el acero, viscosas como el petróleo, etc.

Para identificar una sustancia se estudian sus propiedades físicas (color, olor, brillo,...) y sus propiedades químicas (más ocultas, que se nos descubren cuando se transforma en otra sencilla).

La materia se nos presenta en forma homogénea o heterogénea, según mantenga o no en todos sus puntos las propiedades específicas (punto de fusión, densidad, color,...), respectivamente.

Dentro de la materia homogénea, hay sustancias cuyas propiedades no cambian (sustancias puras); y otras en que las propiedades varían según sea su concentración (las disoluciones).

Dentro de las sustancias puras tenemos: compuestos (según se puedan descomponer en sustancias más simples) y sustancias puras simples o elementos químicos (si no se pueden descomponer).

Además la materia es discontinua, está formada por porciones, cada una de las cuales posee las propiedades de es material. Cuando esas porciones o partículas ya no pueden dividirse en otras más pequeñas, a esa partícula se le llama átomo.



2. Estructura del átomo

 Partículas elementales


Como vimos en el tema 5, los átomos están constituidos fundamentalmente por tres tipos de partículas: electrones, protones y neutrones.


El electrón (e) es un partícula elemental cargada de electricidad negativa; su carga eléctrica es –1,67 ·10-19 C y su masa 9,108·10-31 Kg.


El protón (p) es un partícula elemental cargada de electricidad positiva; su carga eléctrica es igual al del electrón pero de signo positivo, es decir, 1,67 ·10-19 C y su masa 1,6724 ·10-27 Kg, es decir, unas 1.840 veces mayor que la masa del electrón.


El neutrón (n) es un partícula elemental carente de carga eléctrica; su masa 1,675 ·10-27 Kg, prácticamente igual que la masa del protón.





En el átomo se distinguen:


Los protones y los neutrones ocupan un espacio reducido en el centro del átomo constituyendo el núcleo del mismo.


Los electrones se mueven en la corteza, que es la región que rodea al núcleo y que delimita el exterior del átomo.


Desde el punto de vista eléctrico nos encontramos que el núcleo presenta carga positiva y la corteza carga negativa. Ambas cargas son iguales en valor absoluto, por lo que el átomo es neutro.


Nº de protones = Nº de electrone


Desde el punto de vista másico, en el núcleo reside prácticamente la totalidad de la masa del átomo, ya que la masa de los electrones es despreciable frente a la masa de los protones y de los neutrones.
 Número atómico y número másico


Un átomo de un elemento se distingue del de otro elemento, en el número de protones que tiene en su núcleo.


Al disponer los elementos ordenados del más ligero al más pesado, se observa que al pasar de uno al siguiente, el número de protones (y, por tanto, el de electrones) aumenta de una en una unidad.


Así, el elemento más ligero, el hidrógeno, tiene un protón; el siguiente, el helio, tiene dos protones; el inmediato, el litio, tiene tres protones, etc. De este modo, el número que indica el orden del elemento, llamado número atómico, coincide con el número de protones que tiene un átomo del mismo.


Nº atómico (Z) = nº de protones


El número atómico caracteriza a los elementos químicos. Así, por ejemplo, todo átomo con tres protones (Z=3) es de litio, independiente del número de las otras partículas (electrones y neutrones).


Las partículas del átomo que tienen una masa apreciable son los protones y los neutrones; por ello, al número total de estas partículas contenidas en un átomo se le denomina número másico.


Nº másico (A) = nº de protones (Z) + nº de neutrones (N)


EJEMPLO


Un átomo tiene de número atómico 6. Si su número de neutrones es 7, ¿cuántos protones tiene? ¿cuál es el número másico?


Z = nº de protones = 6


A = nº de protones + nº de neutrones = 6 + 7 = 13


Los elementos de la tabla periódica suelen representarse mediante la notación:





E = símbolo del elemento


Z = número atómico


A = número másico




Los isótopos son átomos que poseen el mismo número de protones (igual número atómico), pero distinto número de neutrones y, por tanto, distinto número másico.
 Átomos con carga eléctrica


Aunque, generalmente, los átomos son eléctricamente neutros por contener el mismo número de electrones que de protones, en determinadas circunstancias pueden presentar carga eléctrica debido a la pérdida o captación de electrones.


Los átomos que presentan carga eléctrica se denominan iones. En relación con el signo de su carga, se distinguen dos tipos de iones:


Cationes si la carga eléctrica es positiva (debido a la pérdida de electrones).


Aniones, si presentan carga negativa (debido a la captación de electrones).


Los iones se simbolizan mediante el símbolo químico del elemento al que pertenecen, al que se le pone un superíndice formado por un número (que indica el número de electrones en defecto o en exceso), si éste es uno se omite, seguido del signo «+» o del signo «-», según se trate de una catión o un anión.


EJEMPLO


El número atómico del manganeso es 25. Determina la estructura atómica del ion Mn3+, si su número másico es 55.


Si tiene de número atómico 25 tendrá 25 protones. El superíndice «3+» indica que el átomo posee carga positiva, en concreto 3 cargas positivas más que negativas. Entonces el número deelectrones será 22.


Si el número másico es 55 y el número de protones 25, el número de neutrones será 30.

TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS

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PRESIÓN

DENSIDAD.
La densidad es una magnitud que permite medir el grado de compactación de la materia.

d = m / v

La densidad en kg/m3
La masa en kg.
El volumen en m3

La viscosidad representa una medida de resistencia de un fluido a su movimiento.

El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que un líquido puede fluir.





PRINCIPIO DE PASCAL.
La presión aplicada a un punto de un fluido estático en incompresible encerrado en un recipiente
 se trasmite íntegramente a todos los puntos del fluido.

P = F/ S    En el  sistema internacional (SI) la unidad de presión es:

N/m2 o pascal (Pa)     1atm =101300 Pa








PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES .
" Todo cuerpo sumergido en un fluido sufre una fuerza vertical hacia arriba igual al peso del fluido
que desaloja la parte sumergida de éste "

Presión hidrostática:

P = d g h           La presión hidrostática es directamente proporcional a la densidad del fluido (d)
                                y a la profundidad (h)

                         g es constante = 9,8 m/s2


CAUDAL.
Es el flujo volumétrico que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.


Q = S v (m3/s )


S  = Sección del conducto. En m2
V = Velocidad. En m/s


Cantidad de fluido que pasa por un determinado elemento

Q = V / t 

 
V = Volumen. En m3
t  =  tiempo. En (s)

CIRCUITOS ELÉCTRICOS

-La carga eléctrica es la cantidad de electricidad almacenada en un cuerpo.

-La corriente eléctrica es el movimiento de electrones a lo largo de conductores.

Por su comportamiento y por como está organizada, se puede deducir que la materia tiene que ser de naturaleza eléctrica.

La materia está constituida por átomos. Podemos considerar a éstos como las porciones más pequeñas de materia que pueden existir.

A su vez, los átomos tienen su propia estructura:

• El núcleo contiene dos tipos de partículas, protones y neutrones.
• Alrededor del núcleo gira una nube de electrones formando una especie de corteza.

El protón y el electrón son partículas con la misma carga eléctrica, pero de diferente signo. Teniendo en cuenta que la carga se mide en Culombios (C), las cantidades para las diferentes partículas son:

Cuando los átomos contienen en su núcleo tantos protones como electrones en su corteza, la materia que componen es eléctricamente neutra. Sin embrago, es posible romper este equilibrio frotando, acercando o poniendo en contacto trozos de materia. Así se puede modificar el número de partículas más externas del átomo, los electrones. Cuando esto ocurre, se dice que la materia está electrizada o cargada.

Se pueden dar dos casos:

• Materia cargada positivamente: los átomos han perdido electrones y, por tanto, contienen más carga positiva (más protones) que carga negativa (electrones).
• Materia cargada negativamente: los átomos han ganado electrones y, por tanto, contienen más carga negativa (más electrones) que carga positiva (protones).

Dos objetos con carga del mismo signo, es decir, ambos positivos o ambos negativos, se repelen entre sí, o lo que es igual, se alejan mutuamente. En cambio, objetos con cargas de signos distintos se atraen.

Magnitudes de la corriente eléctrica:


*Diferencia de potencial.
 El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica.

Esta magnitud se mide en voltios (V)

*Intensidad.
La cantidad de electrones que se desplazan cada unidad de tiempo por el recorrido eléctrico.

Esta magnitud se mide en Amperios (A)

Su ecuación es:

 I = Q / t

I     es la intensidad de corriente en Amperios (A)

t     es el tiempo en segundos (s)

Q   es la carga eléctrica en Culombios (C)

*Resistencia.


ley de Ohm.


El cociente entre la diferencia de potencial (V) aplicada a los extremos  de un conductor y la intensidad (I) que circula por él es una cantidad constante denominada resistencia (R)

Esta magnitud se mide en Ohmios Ω


La ecuación que representa la ley de Ohm es:

R = V / I

R      es la resistencia en Ohmios  Ω

V      es la diferencia de potencial en Voltios (V)

I      es la intensidad de corriente en Amperios (A)


Circuitos eléctricos.

En serie: la intensidad tiene un único camino para avanzar.
Re = R1 + R2 + R3 +...+Rn


En paralelo: en ciertos puntos del circuito la intensidad se reparte entre más de un camino.
1/Re = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +...+1/Rn


Potencia.

Es  la magnitud  que mide la cantidad de energía  en cada unidad de tiempo.

Esta magnitud se mide en Vatios (W)


P = V I

P      es la potencia en vatios (W)

V     es la diferencia de potencial en voltios (V)

I      es la intesidad de la corriente en amperios (A)




Ley de Joule. 


La energía calorífica desprendida de una resistencia es directamente proporcional  a la resistencia,
al cuadrado de la intensidad y al tiempo

T = R  I²  t

LA ENERGÍA

La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.

La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

La unidad de energía en el sistema internacional es el Julio ( J )

La Energía mecánica es la producida por fuerzas de tipo mecánico, como la elasticidad, la gravitación, etc., y la poseen los cuerpos por el hecho de moverse o de encontrarse desplazados de su posición de equilibrio. Puede ser de dos tipos: Energía cinética y energía potencial.

Energía mecánica = Energía potencial + Energía cinética

                                    

                                    

La Energía potencial es la energía que tiene un cuerpo situado a una determinada altura sobre el suelo.
La energía potencial, Ep, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad, g, en metros/segundo-cuadrado (m/s2) y la altura, h, en metros (m).

La Energía cinética es la energía asociada a los cuerpos que se encuentran en movimiento, depende de la masa y de la velocidad del cuerpo.
La energía cinética, Ec, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg) y la velocidad, v, en metros/segundo (m/s).

El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.

En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de Principio de conservación de la energía mecánica. El Trabajo es una de las formas de transmisión de energía entre los cuerpos. Para realizar un trabajo es preciso ejercer una fuerza sobre un cuerpo y que éste se desplace. El trabajo, T, de una fuerza aplicada a un cuerpo es igual al producto de la componente de la fuerza en la dirección del movimiento, F, por el desplazamiento, e, del cuerpo. T = F · e El trabajo, T, se mide en julios (J). La fuerza se mide en newtons (N) y el desplazamiento en metros (m). La Potencia es la relación entre el trabajo realizado y el tiempo empleado. Se mide en vatios, W, en el Sistema Internacional. La potencia mide la rapidez con que se efectúa un trabajo, es decir, la rapidez con que tiene lugar la transferencia de energía desde un cuerpo a otro. P = T / t POTENCIA = TRABAJO / TIEMPO