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1. er grado: Ciencia y Tecnología Recurso 1: Materia y energía actúan juntas en el entorno SEMANA 14 ¿De qué están hechos los materiales? A nuestro alrededor se producen cambios continuamente: movimientos de los cuerpos, ejecución de fuerzas, cambios de estado de los cuerpos, una sustancia que arde, un aparato eléctrico que empieza a funcionar, un alimento que se cocina, la fotosíntesis, la respiración, la nutrición, etc. La química 1 se encarga de estudiar la materia y los cambios que se experimentan y que implican energía. Es decir, la química es el estudio de la interacción y la relación entre materia y energía. Es necesario preguntarse, entonces: ¿Qué es materia? ¿Qué es energía? ¿Cómo se relacionan? Educación Secundaria 1 La palabra “química” tiene su origen en la palabra egipcia “kēme” (se pronuncia “kem”), que signifca tierra. Entenderemos por “química” a la disciplina que estudia sistemáticamente la materia en lo concerniente a sus constituyentes y las transformaciones que estos manifestan, tanto espontáneamente como por la acción humana. Nutrientes Energía La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
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1.er grado: Ciencia y Tecnología
Recurso 1:Materia y energía actúan juntas en el entorno
SEMANA 14
¿De qué están hechos los materiales?
A nuestro alrededor se producen cambios continuamente: movimientos de los
cuerpos, ejecución de fuerzas, cambios de estado de los cuerpos, una sustancia que
arde, un aparato eléctrico que empieza a funcionar, un alimento que se cocina, la
fotosíntesis, la respiración, la nutrición, etc.
La química1 se encarga de estudiar la materia y los cambios que se experimentan y
que implican energía. Es decir, la química es el estudio de la interacción y la relación
entre materia y energía. Es necesario preguntarse, entonces: ¿Qué es materia? ¿Qué
es energía? ¿Cómo se relacionan?
Educación Secundaria
1 La palabra “química” tiene su origen en la palabra egipcia “kēme” (se pronuncia “kem”), que signifi ca tierra. Entenderemos por “química” a la disciplina que estudia sistemáticamente la materia en lo concerniente a sus constituyentes y las transformaciones que estos manifi estan, tanto espontáneamente como por la acción humana.
Nutrientes
Energía
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Materia Energía
La materia posee una cantidad determinada
de energía y está sujeta a interacciones y
cambios. Puede ser medida, posee masa,
inercia y ocupa un lugar en el espacio.
La materia se presenta de diversas formas: las
estrellas, el aire que respiramos, la gasolina
de los automóviles, las sillas, los pancitos del
desayuno, el arroz del almuerzo, los tejidos
cerebrales que permiten leer y comprender
este material, etc.
Para tratar de explicar la naturaleza de
la materia, esta se clasifica de diferentes
maneras. Una de esas maneras es según el
estado en el que se encuentra. El estado de
una muestra dada de materia depende de
la fuerza entre las partículas que la forman:
mientras más fuerte sea esta fuerza, más
rígida será la materia.
Los estados más comunes son tres: sólido,
líquido y gaseoso. Sin embargo, no son los
únicos que existen. La materia se puede
presentar, también, en estado plasmático,
en estado condensado de Bose- Einstein
y, actualmente, se estudia la posibilidad de
sumar estados adicionales.
La palabra “energía” deriva del griego
“enérgeia”, que significa “eficacia, operación,
fuerza de acción o fuerza trabajando”. La
energía suele relacionarse con la capacidad
de un cuerpo de generar trabajo o de
transferir calor. Se presenta en distintas
formas y puede transformarse y transferirse
en el entorno.
La energía asociada al movimiento se
denomina energía cinética, como la energía
de una pelota en movimiento. La energía
asociada a la posición se denomina energía
potencial, como la energía de un peso
levantado. Todas dependen del movimiento
o de la posición de las partículas en la
materia. El calor en una sustancia es la
suma de las energías cinéticas de todas las
partículas que la componen. La temperatura
de una sustancia es una medida de la energía
cinética de las partículas en la misma.
La naturaleza está sujeta a cambios: de
posición, de velocidad, de composición o de
estado físico. Sin energía, ningún proceso
físico, químico o biológico sería posible.
Está en la alimentación de los seres vivos,
en la dinámica de nuestra atmósfera y en la
evolución del universo.
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Clasificación de la materia por su composición
La materia se presenta en la naturaleza de diversas formas, en lo vivo y en lo inerte.
A nivel macroscópico, pertenece al mundo de los hechos o lo concreto; por lo tanto,
es todo aquello que podemos observar, medir, tocar y sentir. A nivel microscópico,
la materia se caracteriza por sus átomos. Los átomos son las partículas de las que se
compone toda materia, tanto viva como inerte, e incluso la que no vemos a simple
vista. Se dice que en una cucharadita de agua hay unos quinientos mil trillones de
átomos2.
Las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Los elementos pueden estar
constituidos por átomos, moléculas diatómicas, como yodo (I2), flúor (F
2), oxígeno
(O2), nitrógeno (N
2) e hidrógeno (H
2); por moléculas triatómicas, tetratómicas y
poliatómicas, como el ozono (O3), el fósforo (P
4), el azufre (S
8); por átomos libres o
separados entre sí, como los gases nobles helio (He), neón (Ne), argón (Ar), radón
(Rn); y por átomos ordenados en redes cristalinas: carbono (diamante), metales (Fe,
Ag, Cu, etc.). Por otra parte, los compuestos son sustancias que resultan de la unión
o combinación química de dos o más elementos diferentes en proporciones fijas,
2 Campbell, Orellana, E. (2019) Ciencias Naturales. Chile: SM S.A.
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por ejemplo, el agua; mientras que las mezclas pueden resultar de distintos
compuestos químicos o de distintas fases del mismo compuesto, y son
homogéneas o heterogéneas.
La tabla periódica contiene 92 elementos puros y los demás son artifi ciales.3 De
esta composición interna de la materia, dependen sus propiedades generales
y particulares.
¿Cómo explicar lo que ocurre al interior de los diversos materiales?
La comprensión de la naturaleza de la materia
nació de los trabajos científi cos del estudio
de los gases. La teoría atómico-molecular
tiene su punto de partida en los estudios
de John Dalton a comienzos del siglo XIX.
A partir de sus trabajos, tenemos la imagen
de que los gases están compuestos por
partículas en continua agitación y, por ende,
chocando entre sí y con las paredes del
recipiente que los contiene. Si no existiera
tal recipiente, continuarían moviéndose
hasta que encontraran un obstáculo que los detuviera.
Se representan en azul las partículas que componen un gas confi nado y en rojo,
sus trayectorias. Esta teoría ayuda a entender, a partir del comportamiento de
los gases, conceptos sobre presión, temperatura y volumen.
Las moléculas están en continuo movimiento y entre las moléculas hay espacio
vacío.4
El resumen Modelo Cinético Molecular trata de explicar
lo siguiente:
• La materia está compuesta por partículas discretas,
pequeñas, llamadas moléculas y espacio vacío.
• Estas moléculas tienen energía cinética y, por lo tanto,
poseen movimiento, que depende exclusivamente
de la temperatura. A mayor temperatura, mayor
energía cinética de las moléculas.
• Las moléculas están dotadas de campos de fuerza,
de manera que cada una de ellas ejerce una atracción
sobre las restantes.
3 IUPAC. (2019). Tomado de https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/4 Rosi, P. (2010). Introducción a la representación molecular. Capítulo 2. Argentina: Instituto Nacional de Educación Tecnológica.
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¿De qué manera ocurre la interacción de materia y energía?
A partir de la Teoría cinético-molecular, podemos explicar la materia en sus estados
de agregación (sólido-líquido-gaseoso).
La fuerza de atracción que tiende a aproximar una molécula a las otras recibe el
nombre de fuerza de cohesión. Por otro lado, debido a los choques que se producen
entre las moléculas como consecuencia de su movimiento, se manifi esta una fuerza
contraria a la cohesión, que es la fuerza de repulsión.
Todas las clases de materia que existen pueden encontrarse ordinariamente en
tres estados físicos diferentes. Defi nimos “estado físico” como la capacidad para
conservar una forma y un volumen dados. Los estados de agregación de la materia
son los siguientes:
Según la Teoría cinética-molecular, los efectos de la temperatura y la presión sobre
las propiedades de un gas se pueden extender también a sólidos y líquidos.5
Teoría cinética (movimiento) y temperatura. En los sólidos, cuando aumenta la
temperatura, aumenta la vibración de las partículas y la estructura pierde fortaleza
y rigidez. En los líquidos, al aumentar la temperatura y la vibración de las partículas,
estas pueden alejarse con más facilidad de las partículas vecinas.
Líquido
Fusión Vaporización
Sublimación
Sublimación inversa
GaseosoSólido
Sólido: es todo cuerpo
que posee forma y
volumen propio.
Líquido: es todo cuerpo
que posee volumen
propio y adopta la forma
del recipiente que lo
contiene.
Gaseoso: es todo cuerpo
que posee la forma y el
volumen del recipiente
que lo contiene.
Leyenda:
• Flecha hacia la derecha (color turquesa): Aumento de temperatura.
• Flecha hacia la izquierda (color naranja): Disminución de temperatura.
5 Cruz, J, Osuna, M.E., Ortíz, J.I. (2008). Química General. México
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6 Jimdo. Tomado de:
Efecto de la presión. El aumento de la presión sobre un sistema material aumenta el
acercamiento entre sus partículas y, por lo tanto, aumentan las fuerzas de cohesión.
Al calentar el sólido, aumenta la
vibración de sus partículas hasta llegar
a vencer las fuerzas de cohesión. La
red cristalina se desmorona.
Al calentar el líquido, cada vez más
partículas adquieren energía sufi ciente
para abandonar su superfi cie, pasando a
estado gaseoso y/o vapor.
Fusión
Movimiento Térmico6
Vaporización
Partículas en estado líquido
Partículas en estado gaseoso
Partículas en estado sólido
T=20 oC T=60 oC T=100 oC
• Al aumentar la temperatura de un sistema, aumenta la energía cinética media
de sus partículas y su movilidad, con lo que se favorecen los cambios de
estado progresivos: sólido líquido gaseoso.
• Al aumentar la presión, aumentan las fuerzas de cohesión y se favorecen los
cambios regresivos: gaseoso líquido sólido.
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La teoría cinética y la presión. Las partículas de un gas chocan continuamente
contra las paredes del recipiente en que se encuentran y, en cada choque, ejercen
una fuerza.
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Si disminuye el volumen, manteniendo
constante la temperatura, la frecuencia
de los choques entre partículas es
mayor, y como consecuencia, la presión
aumenta.
Si aumenta la temperatura, a volumen
constante, aumenta la energía cinética
media de las partículas. La intensidad
de los choques y su frecuencia será
mayor y la presión aumentará.
Cambio de volumen a
temperatura constante
Cambio de temperatura a
volumen constante
T=20 oC T=70 oC
