La Materia y sus Transformaciones

Tipos de Cambios

Cambio Físico

Es aquel en el que no cambia la naturaleza de la sustancia. Algunos ejemplos son:

• Cambios de estado (sólido, líquido, gas).
• Movimientos y ondas.
• Fenómenos eléctricos.
• Disolución de sal en agua.

Cambio Químico

Es aquel en el que cambia la naturaleza de la sustancia, es decir, aparecen nuevas sustancias. Algunos ejemplos son:

• Oxidación del hierro.
• Formación del cloruro de sodio (sal común) a partir de cloro (gas venenoso) y sodio (metal explosivo con el agua).
• Combustión.

Componentes de una Reacción Química

• Reactivo(s): Sustancia o sustancias que existen antes de un cambio o reacción química.
• Producto(s): Sustancia o sustancias que se obtienen después de un cambio o reacción química.

Ejemplo 1: Cloro y sodio se unen para dar cloruro de sodio (2 reactivos → 1 producto).

Ejemplo 2: El agua se descompone para dar hidrógeno y oxígeno (1 reactivo → 2 productos).

Energía en las Reacciones Químicas

En un cambio químico siempre hay un intercambio de energía.

• Reacción endotérmica: Las sustancias absorben energía. Ejemplo: la fotosíntesis.
• Reacción exotérmica: Las sustancias desprenden energía. Ejemplo: la combustión.

Además, las reacciones pueden ser reversibles (se pueden dar en ambos sentidos, como la formación y descomposición del agua) o irreversibles (solo ocurren en un sentido, que son la mayoría).

Estudio de las Reacciones Químicas

Teoría de las Colisiones

Una reacción química se puede explicar como una reordenación de los enlaces atómicos que ocurre tras una colisión entre moléculas. Para que una colisión sea eficaz y se formen nuevas sustancias, es necesario que las moléculas choquen con una orientación adecuada y con suficiente energía (velocidad).

Velocidad de una Reacción Química

Es una magnitud que mide la rapidez con la que se produce una reacción. Se calcula midiendo la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, o bien la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo.

Factores que influyen en la velocidad de una reacción

1. Temperatura: A mayor temperatura, mayor velocidad.
2. Concentración de reactivos: A mayor concentración, mayor velocidad.
3. Otros factores: Como la presencia de catalizadores o la superficie de contacto.

Ecuaciones Químicas

Son la representación simbólica de una reacción química. Una ecuación química debe estar ajustada o balanceada mediante coeficientes estequiométricos. Esto consiste en poner coeficientes antes de cada fórmula para que haya el mismo número de átomos de cada elemento antes y después de la reacción. Normalmente, estos coeficientes son los números enteros más sencillos posibles.

Se suelen indicar los estados físicos de las sustancias:

• (g): gas
• (l): líquido
• (s): sólido
• (ac) o (aq): disuelto en agua (solución acuosa)

Ejemplo de interpretación: N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

• A nivel molecular: 1 molécula de nitrógeno gaseoso reacciona con 3 moléculas de hidrógeno gaseoso para formar 2 moléculas de amoniaco gaseoso.
• A nivel molar: 1 mol de nitrógeno gaseoso reacciona con 3 moles de hidrógeno gaseoso para formar 2 moles de amoniaco gaseoso.

Leyes Fundamentales de la Química

• Ley de Conservación de la Masa: La masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos.
• Ley de las Proporciones Definidas: La proporción entre las masas de las sustancias que reaccionan o que se forman es siempre fija. Por ejemplo, para formar agua (H₂O), por cada gramo de hidrógeno se necesitan 8 gramos de oxígeno, y se formarán 9 gramos de agua.

Conceptos Clave en Estequiometría

El Mol y el Número de Avogadro

El mol (símbolo: mol) es la unidad de cantidad de sustancia en el Sistema Internacional. En un mol de cualquier sustancia hay 6,022·10²³ partículas (átomos, moléculas, etc.). Este valor se conoce como el Número de Avogadro (Nₐ).

• Ejemplo con H₂: Su masa molecular es 2 u. Un mol de H₂ contiene 6,022·10²³ moléculas y tiene una masa de 2 gramos.
• Ejemplo con C: Su masa atómica es 12 u. Un mol de carbono contiene 6,022·10²³ átomos y tiene una masa de 12 gramos.
• Ejemplo con H₂O: Su masa molecular es 18 u. Un mol de H₂O contiene 6,022·10²³ moléculas, tiene una masa de 18 gramos y contiene un total de 3 × Nₐ átomos (2 de H y 1 de O).

Masa Molar (M)

Es la masa de un mol de una sustancia. Se expresa en gramos por mol (g/mol). Su valor numérico coincide con la masa molecular (en u).

• Ejemplo: La masa molar del carbono es M = 12 g/mol.
• Ejemplo: La masa molar del agua es M = 18 g/mol.

El Mundo de las Fuerzas

¿Qué es una Fuerza?

Una fuerza es toda causa capaz de provocar cambios en el estado de movimiento de un cuerpo o de producir deformaciones en él. Un cuerpo no posee fuerza, sino que la ejerce sobre otro.

• Es una magnitud vectorial, lo que significa que para definirla se necesita especificar su valor (módulo), dirección y sentido. Se representa con una flecha.
• Su unidad en el Sistema Internacional es el Newton (símbolo: N).

Efectos de las Fuerzas

• Cambio en el movimiento: Para que el movimiento de un cuerpo cambie (acelere, frene o cambie de dirección), es necesaria la acción de una fuerza.
• Deformación de los cuerpos: Según su comportamiento ante una fuerza, un cuerpo puede ser:
  • Rígido: No se deforma (ej: cristal, roca).
  • Plástico: Se deforma y no recupera su forma original al cesar la fuerza (ej: plastilina, barro).
  • Elástico: Recupera su forma original al cesar la fuerza (ej: un muelle).

Tipos Comunes de Fuerzas

Las fuerzas se pueden clasificar según su naturaleza o cómo actúan (por contacto o a distancia).

• Fuerza de Rozamiento (Fᵣ): Se opone al movimiento y surge entre superficies en contacto. Depende del tipo de superficies y de la fuerza normal.
• Fuerza Normal (N): Es la fuerza perpendicular que ejerce una superficie sobre un cuerpo apoyado en ella.
• Tensión (T): Es la fuerza que se transmite a través de cuerdas, cables o hilos.
• Fuerza Elástica (Fₑ): Es la fuerza recuperadora que ejerce un cuerpo elástico al ser deformado. La deformación es directamente proporcional a la fuerza aplicada (Ley de Hooke).
• Peso (P): Es la fuerza con la que la Tierra (u otro astro) atrae a los cuerpos hacia su centro.

La Fuerza de la Gravedad

El Peso y la Aceleración de la Gravedad

Galileo Galilei comprobó que, en ausencia de rozamiento, todos los cuerpos caen con la misma aceleración, llamada aceleración de la gravedad (g), cuyo valor en la superficie de la Tierra es aproximadamente 9,8 m/s². Isaac Newton demostró que el movimiento orbital de la Luna es una caída continua hacia la Tierra, combinada con un desplazamiento lateral, todo ello debido a esta misma fuerza.

Ley de Gravitación Universal

Propuesta por Newton, esta ley describe la fuerza de atracción entre dos masas cualesquiera. Para que esta fuerza sea apreciable, al menos una de las masas debe ser muy grande (como un planeta o una estrella). Esta ley explica fenómenos como:

• El peso de los cuerpos.
• Las órbitas de planetas, satélites y cometas.
• La formación de galaxias.
• Las mareas.

La fórmula matemática es:

F = G · (M · m) / r²

Donde:

• F: Fuerza gravitatoria (N).
• M y m: Masas que se atraen (kg).
• r: Distancia entre los centros de las masas (m).
• G: Constante de Gravitación Universal, cuyo valor es 6,67·10⁻¹¹ N·m²/kg².