Ejemplos resueltos y ejercicios guiados - La materia
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Introducción
Materia es todo lo que tiene masa y ocupa un volumen: el aire, el agua, una piedra o tu propio cuerpo. En esta lección repasamos las propiedades de la materia, en especial la densidad, y los estados de agregación y sus cambios, con ejemplos resueltos paso a paso.
Explicación
Las propiedades de la materia se dividen en dos grupos:
Propiedades generales: las tiene cualquier materia y no sirven para identificar una sustancia. Las principales son la masa (cantidad de materia; en el SI se mide en kilogramos, kg) y el volumen (espacio que ocupa; en el SI se mide en metros cúbicos, m³; también se usan el litro y el mililitro: 1 L = 1 dm³ y 1 mL = 1 cm³).
Propiedades características: tienen un valor propio para cada sustancia y sirven para identificarla. Por ejemplo, la densidad, el punto de fusión y el punto de ebullición.
La densidad relaciona la masa y el volumen: d = m / V. Se mide en kg/m³ en el SI, aunque se usa mucho g/cm³ (1 g/cm³ = 1 000 kg/m³). El agua líquida tiene una densidad de 1 g/cm³; un cuerpo menos denso que el agua flota en ella y uno más denso se hunde. El volumen de un sólido irregular se mide sumergiéndolo en una probeta con agua: el aumento de volumen es el volumen del sólido.
La materia se presenta en tres estados de agregación habituales, que se explican con la teoría cinética (la materia está formada por partículas en continuo movimiento):
Sólido: forma y volumen fijos; partículas muy juntas que solo vibran.
Líquido: volumen fijo, pero adopta la forma del recipiente; partículas juntas que se deslizan unas sobre otras.
Gas: ni forma ni volumen fijos; partículas muy separadas que se mueven libremente.
Los cambios de estado que necesitan absorber calor son la fusión (sólido a líquido), la vaporización (líquido a gas) y la sublimación (sólido a gas). Los que desprenden calor son la solidificación (líquido a sólido), la condensación (gas a líquido) y la sublimación inversa (gas a sólido). Mientras una sustancia pura cambia de estado, su temperatura se mantiene constante.
Ejemplo
Ejemplo 1. Una piedra tiene una masa de 60 g. Al sumergirla en una probeta, el agua sube de 40 mL a 64 mL. ¿Cuál es su densidad?
Volumen de la piedra: 64 − 40 = 24 mL = 24 cm³. Densidad: d = 60 g / 24 cm³ = 2,5 g/cm³, que equivale a 2 500 kg/m³. Como es mayor que la del agua, la piedra se hunde.
Ejemplo 2. ¿Qué masa tienen 3 L de aceite de densidad 0,92 g/cm³?
Pasamos el volumen a cm³: 3 L = 3 000 cm³. Despejamos la masa: m = d · V = 0,92 · 3 000 = 2 760 g = 2,76 kg.
Ejercicios
La densidad del aluminio es 2,7 g/cm³. ¿Qué volumen ocupa una pieza de aluminio de 540 g?
¿Cuál de estas propiedades es una propiedad característica, es decir, sirve para identificar una sustancia?
Material adicional
Mezclas y sustancias puras
En la naturaleza es muy difícil encontrar sustancias totalmente puras. La mayoría de los materiales que nos rodean son mezclas de varias sustancias. El agua del mar, el aire, la leche o el granito son ejemplos de mezclas.
Sustancias puras
Una sustancia pura es aquella que tiene una composición fija y unas propiedades características bien definidas (punto de fusión, punto de ebullición, densidad, etc.). Se clasifican en:
• Elementos: sustancias que no se pueden descomponer en otras más sencillas por métodos químicos. Están formados por un solo tipo de átomo. Ejemplos: hierro (Fe), oxígeno (O₂), oro (Au), carbono (C).
• Compuestos: sustancias formadas por la combinación química de dos o más elementos en proporción fija. Se pueden descomponer en los elementos que los forman. Ejemplos: agua (H₂O), sal común (NaCl), dióxido de carbono (CO₂).
📌 Recuerda
Un elemento está formado por átomos del mismo tipo. Un compuesto está formado por átomos de distintos elementos unidos químicamente en proporción definida.
Mezclas
Una mezcla se obtiene al juntar dos o más sustancias sin que se produzca una reacción química entre ellas. Cada componente conserva sus propiedades. Se distinguen dos tipos:
Tipo de mezcla
Aspecto
Componentes distinguibles
Ejemplos
Homogénea (disolución)
Uniforme, una sola fase
No
Agua con sal, aire, bronce
Heterogénea
No uniforme, varias fases
Sí
Granito, ensalada, agua con aceite
Disoluciones
Las disoluciones son mezclas homogéneas formadas por:
• Disolvente: componente que se encuentra en mayor proporción (normalmente el líquido). • Soluto: componente que se encuentra en menor proporción (se disuelve en el disolvente).
La concentración de una disolución indica la cantidad de soluto disuelta en una cantidad determinada de disolución o disolvente:
🔬 Fórmula clave
Concentración en masa:
C = masa de soluto / volumen de disolución
Se suele expresar en g/L (gramos por litro).
Porcentaje en masa:
% m = (masa de soluto / masa de disolución) × 100
📘 Ejemplo resuelto
Se disuelven 20 g de azúcar en agua hasta obtener 250 mL de disolución. Calcula la concentración en g/L.
Datos: masa de soluto = 20 g, volumen de disolución = 250 mL = 0,250 L Fórmula: C = m_soluto / V_disolución Cálculo: C = 20 g / 0,250 L = 80 g/L
La concentración de la disolución es 80 g/L.
📘 Ejemplo resuelto
Se mezclan 15 g de sal con 185 g de agua. Calcula el porcentaje en masa de sal.
Datos: masa de soluto = 15 g, masa de disolución = 15 + 185 = 200 g Fórmula: % m = (m_soluto / m_disolución) × 100 Cálculo: % m = (15 / 200) × 100 = 7,5 %
Métodos de separación de mezclas
Existen distintos procedimientos para separar los componentes de una mezcla, aprovechando las diferencias en sus propiedades:
Método
Fundamento
Tipo de mezcla
Ejemplo
Filtración
Diferencia de tamaño de partícula
Heterogénea (sólido-líquido)
Arena y agua
Decantación
Diferencia de densidad
Heterogénea (líquido-líquido)
Agua y aceite
Evaporación
Diferente punto de ebullición
Homogénea
Obtener sal del agua de mar
Destilación
Diferente punto de ebullición
Homogénea
Separar alcohol y agua
Cristalización
Diferente solubilidad
Homogénea
Obtener cristales de sal
Separación magnética
Propiedades magnéticas
Heterogénea
Limaduras de hierro y arena
Cromatografía
Diferente afinidad por un soporte
Homogénea
Separar pigmentos de la tinta
⚠️ Importante
La filtración separa un sólido de un líquido. La destilación separa líquidos con distintos puntos de ebullición: se calienta la mezcla, el líquido que hierve primero se evapora y se recoge al condensar.
Disoluciones saturadas y solubilidad
La solubilidad de una sustancia es la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una determinada cantidad de disolvente a una temperatura dada.
• Disolución insaturada: contiene menos soluto que el máximo posible. • Disolución saturada: contiene la máxima cantidad de soluto a esa temperatura. • Disolución sobresaturada: contiene más soluto del que puede disolver (inestable).
🤔 ¿Sabías que…?
El aire es una mezcla homogénea de gases compuesta aproximadamente por un 78 % de nitrógeno (N₂), un 21 % de oxígeno (O₂) y un 1 % de otros gases (argón, CO₂, vapor de agua, etc.).
✏️ Ejercicios
1. Clasifica las siguientes sustancias en elemento, compuesto o mezcla: agua destilada, aire, hierro, bronce, dióxido de carbono, granito.
2. Explica la diferencia entre una mezcla homogénea y una heterogénea. Pon dos ejemplos de cada una.
3. Se disuelven 50 g de sal en agua hasta obtener 500 mL de disolución. Calcula la concentración en g/L.
4. ¿Qué porcentaje en masa tiene una disolución preparada con 30 g de azúcar y 270 g de agua?
5. ¿Qué método de separación utilizarías para separar…? a) Arena y agua b) Agua y alcohol c) Limaduras de hierro y azufre en polvo d) Agua y aceite
6. ¿Cuál es la diferencia entre evaporación y destilación? ¿En qué casos usarías cada una?
7. Identifica el soluto y el disolvente en cada disolución: a) Agua con sal b) Aire c) Bronce (cobre + estaño)
8. Si la solubilidad del cloruro de sodio a 20 °C es de 36 g/100 mL de agua, ¿cuántos gramos se pueden disolver en 250 mL de agua?
9. Explica qué ocurre a nivel de partículas cuando se disuelve azúcar en agua.
10. Diseña un procedimiento para separar una mezcla de arena, sal y limaduras de hierro.
📋 Resumen de la lección
Las sustancias puras tienen composición fija y propiedades definidas; se clasifican en elementos y compuestos.
Las mezclas están formadas por dos o más sustancias sin combinación química; pueden ser homogéneas (disoluciones) o heterogéneas.
La concentración indica la cantidad de soluto por cantidad de disolución (g/L o % en masa).
Los métodos de separación (filtración, decantación, destilación, etc.) aprovechan diferencias en las propiedades de los componentes.
La solubilidad depende de la temperatura y determina la cantidad máxima de soluto que puede disolverse.
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