De una forma escueta podemos definir la materia como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee masa. Al indicar que la materia ocupa un lugar en el espacio queremos decir que la materia posee volumen, es decir, el volumen es el espacio ocupado por la materia. El espacio que ocupa un material en un momento dado no puede ser ocupado por otro material en ese momento.
La unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI) para el volumen es el metro cúbico. Un metro cúbico es el espacio ocupado por un cubo de arista un metro.
Los gases no poseen ni forma propia ni volumen propio. Por tanto, el volumen de un gas está determinado por la capacidad del recipiente que lo contiene. Los gases se dilatan por efectos de la temperatura, y también son compresibles. Por tanto, al medir el volumen de un gas hay que indicar la temperatura y la presión a la que se ha realizado la medición.
Los líquidos poseen volumen propio, pero no poseen forma propia. Para medir en química el volumen de los líquidos se utilizan algunos instrumentos básicos como el cilindro o probeta graduada, la pipeta Fisher, la pipeta volumétrica, la bureta y el matraz o balón aforado.
 |
| Pipeta volumétrica, bureta y matraz aforado |
Los líquidos se dilatan por efectos de la temperatura, y hay que especificar la temperatura de la medición del volumen. Los líquidos son prácticamente incompresibles, pero si la presión es muy elevada se debe especificar la presión.
Los sólidos poseen forma propia y volumen propio. Para determinar el volumen de un sólido se pueden utilizar varios procedimientos. Por ejemplo, si el sólido posee forma regular se pueden aplicar las fórmulas de geometría.
 |
| Fórmulas para calcular el volumen de sólidos regulares |
Si el sólido es irregular e insoluble en agua, podemos utilizar el método del desplazamiento de agua. En una probeta, introducimos cierta cantidad de agua e introducimos con mucho cuidado el sólido. El sólido debe estar completamente sumergido en el agua. Al introducir el sólido en la probeta aumenta el volumen de agua. El aumento en el volumen de agua es el volumen del sólido
ΔV = Vf - Vo
Volumen final o volumen después de introducir el sólido = Vf
Volumen inicial o volumen antes de introducir el sólido = Vo
 |
| Cálculo del volumen de un sólido irregular |
El volumen del objeto es 6 mL.
Si el sólido irregular es soluble en agua, hay que utilizar un líquido en el que el sólido sea insoluble, y operamos de igual forma a la anterior.
Para medir el volumen hay que considerar la capacidad del instrumento, la apreciación del instrumento, el menisco y el error.
La capacidad del recipiente es la máxima cantidad de líquido que se puede medir.
La apreciación es la menor lectura que se puede realizar en un instrumento de medida.
A = (LM - Lm)/N°de divisiones entre lecturas
A = apreciación, LM = lectura mayor y Lm= lectura menor.
El menisco es la curvatura que presenta la superficie libre de un líquido al estar contenido en un recipiente. Para medir el volumen se traza una línea imaginaria tangente a la curva. El intercepto de esta línea tangente con la lectura del tubo es el volumen del líquido.
 |
| Formas de medir el menisco |
El menisco es un efecto capilar que depende de las fuerzas cohesivas (atracción entre moléculas iguales), de las fuerzas adhesivas (atracción entre moléculas diferentes), de la naturaleza del líquido y de su tensión superficial.
La tensión superficial es la fuerza de tracción que se ejerce perpendicularmente por unidad de longitud sobre un segmento recto situado en la superficie del líquido. Se expresa en N/m.
σ = F/L
σ es la tension superficial, F es la fuerza y L es longitud.
La tensión superficial es el resultado de las fuerzas que ejercen las moléculas interiores del líquido sobre las moléculas superficiales y las fuerzas resultantes de las sustancias en contacto con el líquido. La tensión superficial disminuye a medida que aumenta la temperatura, y depende de la clase de líquido y del fluido en contacto con la superficie del líquido.
Al introducir un tubo capilar en un el líquido el líquido sube por el tubo capilar hasta que la fuerza de gravedad equilibre las fuerzas adhesiva y cohesiva. La altura del menisco medida desde la superficie del líquido hasta la curvatura del menisco disminuye con la densidad del líquido y con el radio del tubo capilar, pero aumenta con la tensión superficial del líquido.
 |
| Dependencia de la altura |
Balace de fuerzas:
Fuerza de tensión superficial = Peso del fluido
1. σLcosα = mg
2. L=2πr; 3. mg= πr2hdg
Reemplazar 2 y 3 en la ecuación 1 y despejar para h.
h= 2σcosα/dgr
α es el ángulo que forma la fuerza de la tensión superficial con la normal. Para agua este ángulo vale cero. σLcosα es la componente vertical de la fuerza de tensión superficial.
El menisco puede ser cóncavo o convexo. En el menisco cóncavo, la curvatura es hacia abajo. En el menisco convexo, la curvatura es hacia arriba. El menisco cóncavo se debe a que las fuerzas cohesivas entre las moléculas del líquido son menores que las fuerzas adhesivas entre las moléculas del vidrio y las moléculas del líquido. Por tanto, el vidrio atrae la superficie del líquido provocando una depresión en la superficie central del líquido y una elevación de la superficie del líquido en las vecindades de la pared del vidrio. En el menisco convexo, ocurre lo contrario. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas del líquido son mayores que las fuerzas adhesivas entre las moléculas del vidrio y líquido. Por tanto, se observa una elevación en la superficie central del líquido y una depresión de la superficie del líquido en la vecindad de la pared del vidrio. El agua y muchas otras sustancias presentan menisco cóncavo. El mercurio presenta menisco convexo.
El error es la incertidumbre de una medición. Los errores se clasifican en errores determinados y errores indeterminados.
Los errores determinados son sistemáticos y se puede determinar las fuentes del error. Por ejemplo, errores personales, errores instrumentales, errores del método...
En los errores indeterminados, no se conocen plenamente las fuentes del error y, por tanto, no pueden ser controlados por el investigador. Este tipo de error es casual o accidental, y debe
tratarse mediante una rama de las matemáticas denominada Cálculo de Probabilidades.
Los errores sistemáticos afectan la exactitud de los resultados. Los errores indeterminados afectan la consistencia entre valores o la precisión.
La exactitud es la diferencia entre el valor individual de una medición y el valor aceptado como verdadero. Se puede expresar como error absoluto, error relativo, entre otras formas.
Se denomina error absoluto a la siguiente diferencia
Error absoluto = xi - xv
xi es un valor individual y xv es el valor aceptado como verdadero.
El error relativo expresado en % o en partes por mil es el error absoluto dividido entre el valor aceptado como verdadero.
Erelativo = (xi - xv)100/xv (en porcentaje)
Erelativo = (xi - xv)1000/xv (en partes por mil)
Precisión es una medida de la repetitividad del resultado de una medición. Se obtiene mediante repeticiones del experimento operando en cada repetición de la misma manera. Se expresa frecuentemente mediante la desviación estándar.
 |
| Fórmula para calcular la desviación estándar |
s es la desviación estándar, xi es un valor individual y x̄ es el valor promedio.
La masa es la cantidad de materia que existe. La masa es una medida de la resistendencia que ofrece la materia a modificar su estado de reposo o de movimiento.
La unidad para expresar la masa en el SI es el kg. Para medir la masa se utiliza la balanza.
La masa depende de la velocidad. En el mundo macroscópico, no se nota tal dependencia, pero en el mundo microscópico, es decir, en el mundo de átomos y partículas subatómicas hay que diferenciar la masa de la partícula en reposo de la partícula en movimiento. La masa de la partícula aumenta con su velocidad. La ecuación que describe la dependencia de la masa con la velocidad es,
m = mo/√[1 - (v/c)2]
mo es la masa en reposo, m es la masa en movimiento, v es la velocidad y c es la velocidad de la luz (c = 299 792 458 m/s).
La materia posee comportamiento dual, es decir, en algunas situaciones experimentales se comporta como una onda y en otras condiciones experimentales se comporta como materia. Por ejemplo, J. J. Thomson determinó la relación carga/masa para un electrón y Millikan determinó la carga de un electrón. Basados en estos dos experimentos se determinó la masa de un electrón, es decir, el comportamiento del electrón como corpúsculo o materia. George Paget Thomson (hijo de J. J. Thomson) logró obtener el espectro de difracción de los electrones. La difracción es una propiedad que presentan todas las radiaciones electromagnéticas. La difracción es un proceso mediante el cual rayos paralelos de radiación electromagnética se curvan al pasar por un orificio.
 |
| a b a. Espectro de difracción de Rayos X. b. Espectro de difracción de electrones Los espectros de difracción son presentados solamente por las radiaciones electromagnéticas. Por tanto, J. J. Thomson y su hijo demostraron que los electrones presentan comportamientos de particula y onda. Louis de Broglie había propuesto este comportamiento dual de la materia. Según de Broglie la longitud de onda asociada con la masa es, λ = h/mv λ es la longitud de onda, v es la velocidad, h es la constante de Planck y m es la masa. |
h = 6, 626 070 040(81) x 10 - 34 J s.
Las reacciones nucleares han puesto de manifiesto que la masa se tranforma en energía, pero la energía también se puede transformar en masa. En reacciones químicas ordinarias, no se observa esta transformación de la masa en energía y, por tanto, la suma de las masas de los reactantes es igual a la suma de las masas de los productos como lo establece la ley de Lavoisier, ley de Lomonosov o ley de la conservación de las masas. En las reacciones nucleares, la ley de Lavoisier no se cumple, debido a que la masa se tranforma en energía. La relación entre la masa convertida en energía y la energía producida está dada por la ecuación de Einstein
E = mc2
E es la energía, m es la masa convertida en energía y c es la velocidad de la luz. Es decir, la masa no se pierde, debido a que se transforma en energía, y la energía no se pierde, debido a que se transforma en masa. Por tanto, masa y energía son dos términos equivalentes.
De acuerdo con la ecuación anterior, la conversación de una masa pequeña puede generar una gran cantidad de energía, pero para generar una pequeña masa es necesario una gran cantidad de energía. La importancia de la energía nuclear es que una masa pequeña puede generar gran cantidad de energía.
Basados sobre estos comentarios podemos dar una definición más completa de la materia.
La materia posee volumen y masa, el espacio ocupado por un material en un momento dado no puede ser ocupado por otro material en ese momento, está formada por la unión de átomos y moléculas, ofrece resistencia al movimiento, no se pierde solo se transforma, es interconvertible en energía, tiene comportamiento dual de materia y onda y se presenta en los estados sólido, líquido y gaseoso (el plasma es también llamado cuarto estado de agregación de la materia tras los estados sólido, líquido y gaseosa).
No debemos confundir masa con peso. La masa es la cantidad de materia que existe (m = F/a), mientras el peso es la fuerza con la que la tierra atrae a los cuerpos (P = mg) . La masa se mide con la balanza, mientras la fuerza se mide con el dinamómetro. La masa se expresa en kg, mientras que el peso, por ser una fuerza, se expresa en Newton (N). La masa no se anula y el peso si se puede anular.
La relación entre la masa (m) y el volumen (V) se denomina densidad (d). La densidad es una propiedad característica de la materia.
d = m/V
Las densidades de sólidos y líquidos dependen de la temperatura, y hay que especificar la temperatura al reportar las densidades del líquidos y sólidos. La densidad de un gas depende de la temperatura y de la presión, y ambas magnitudes deben ser especificadas al reportar la densidad de un gas.
Entradas
