Resumen completo: Unidades, materia y sistemas materiales

Magnitudes y unidades fundamentales (SI)

La Química y la Física describen la realidad empleando magnitudes medibles a las que se asigna una unidad patrón dentro del Sistema Internacional (SI).

• Masa → kilogramo (kg). También se emplean múltiplos y submúltiplos (g, dg, mg, etc.).

• Longitud → metro (m).

• Tiempo → segundo (s).

• Temperatura → grado Celsius (°C) y, en formulación científica, Kelvin (K). Conversión:
  $T<em>K = T</em>{^\circ C} + 273$
  $T<em>{^\circ C} = T</em>K - 273$

Unidades secundarias o alternativas (relevantes en la práctica):

• Temperatura: °F, K.

• Tiempo: h, min.

• Velocidad: km·h⁻¹ además de m·s⁻¹.

• Presión: hectopascal (hPa), milímetro de mercurio (mmHg) y su unidad fundamental, el pascal (Pa) donde
  $1 \;Pa = 1\;\frac{N}{m^2}$
  (pues $P = \frac{F}{A}$ y $F$ se mide en newton).

Unidades derivadas

Surgen de combinar las fundamentales:

• Superficie → $m^2$

• Volumen → $m^3$

• Velocidad → $v = \frac{d}{t} \;(m\,s^{-1})$

• Aceleración → $m\,s^{-2}$

• Número de onda → $m^{-1}$

• Densidad → $\rho = \frac{m}{V}\;(kg\,m^{-3})$

• Velocidad angular → rad·s⁻¹

• Aceleración angular → rad·s⁻²

La distinción “fundamental vs. derivada” recuerda que de masa, longitud, tiempo y temperatura nacen todas las demás.

Notación científica y prefijos

Para números muy grandes o muy pequeños se usan potencias de diez. Prefijos corrientes:
• Mega (M) → $10^{6}$   • Kilo (k) → $10^{3}$
• Deci (d) → $10^{-1}$   • Centi (c) → $10^{-2}$
• Mili (m) → $10^{-3}$   • Micro (µ) → $10^{-6}$
• Nano (n) → $10^{-9}$

Materia, cuerpo y sustancia

1. Materia: todo lo que ocupa lugar en el espacio (sólido, líquido o gas). Ej.: metal, agua, aire.

2. Cuerpo: porción limitada de materia. Ej.: mesa de madera, anillo de plata.

3. Sustancia: clase específica de materia de composición definida. Ej.: oro, roble, agua.

Comparación con energía: la energía es la capacidad de producir trabajo (luz, calor, viento, energía cinética, etc.) y no ocupa espacio.

Estados de agregación y propiedades microscópicas

Cambios de estado de la materia

Aumento de temperatura / energía:

• Sólido → Líquido: fusión.

• Líquido → Gas: vaporización (evaporación –superficie– o ebullición –todo el volumen–).

• Sólido → Gas: sublimación/volatilización.

Disminución de temperatura / energía:

• Gas → Líquido: condensación o licuefacción.

• Líquido → Sólido: solidificación, congelación o cristalización.

• Gas → Sólido: deposición (también llamada sublimación inversa).

Gráficamente, durante el cambio de fase la temperatura permanece constante aun cuando se siga aportando o extrayendo calor.

Propiedades extensivas vs. intensivas

Extensivas (dependen de la cantidad de materia): masa, peso, volumen, superficie, fuerza, solubilidad total.

Intensivas (independientes de la cantidad): densidad, punto de fusión, punto de ebullición, color, olor, peso específico, pH, conductividad.

Propiedades generales y específicas de la materia

Generales: extensión, masa, inercia, porosidad, divisibilidad, peso.

Específicas físicas: densidad, conductividad eléctrica/térmica, puntos de fusión y ebullición.

Específicas químicas: reactividad, combustibilidad, acidez (pH<7), basicidad (pH>7).

Propiedades coligativas (en soluciones): descenso de la presión de vapor, aumento del punto de ebullición, descenso del punto de congelación y presión osmótica; dependen solo del número de partículas de soluto.

Sistemas materiales: clasificación macroscópica

Según uniformidad visual

• Homogéneo (monofásico): una sola fase, mismas propiedades intensivas en todos los puntos. Subtipos:
  • Sustancia pura (un componente).
  – Simple: no se descompone químicamente (O₂, Au).
  – Compuesta: se descompone (H₂O, H₂SO₄).
  • Solución (≥2 componentes miscibles): agua + sal, sangre recién extraída, aire.

• Heterogéneo (polifásico): dos o más fases distinguibles. Ej.: agua + arena, agua + hielo + clavos, agua + aceite.
  • Dispersión grosera (macroscópica).
  • Coloide (heterogeneidad solo al ultramicroscopio): leche, gel, sangre en reposo.

Un mismo componente puede generar heterogeneidad si coexisten distintos estados (hielo flotando en agua líquida + vapor).

Según intercambio con el entorno

• Sistema abierto: intercambia materia y energía (fogata).

• Sistema cerrado: solo energía (lata sellada caliente).

• Sistema aislado: no intercambia ni materia ni energía (termo ideal, tubo Dewar).

Fases, componentes y ejemplos

• Vaso con agua: 1 componente, 1 fase → homogéneo.

• Vaso con agua y 3 cubos de hielo: 1 componente, 2 fases → heterogéneo.

• Agua + oro + plata: 3 componentes, 3 fases sólidas/líquida → heterogéneo.

Polaridad y miscibilidad

“Lo semejante disuelve a lo semejante”.

• Polares con polares → solución (agua + alcohol + vinagre + sal).

• No polares con no polares → solución (aceite + gasolina).

• Polar + no polar → heterogéneo (agua + aceite).

Métodos de separación

Para sistemas heterogéneos (mecánicos/físicos)

• Filtración: sólido–líquido (arena/agua).

• Decantación: líquidos inmiscibles (agua/aceite).

• Sedimentación: densidad.

• Centrifugación: líquidos de distintas densidades (plasma/sangre).

• Tamización: sólidos por tamaño (grava/arena).

• Imantación: componentes ferromagnéticos (hierro/arroz).

• Tría: selección manual (mármol/fideos).

• Flotación: sólidos de distinta densidad en líquido (corcho/arroz).

• Disolución selectiva + filtración + evaporación.

Para sistemas homogéneos

• Evaporación o cristalización (salmuera).

• Destilación simple o fraccionada (agua-alcohol).

• Cromatografía (mezcla de gases o líquidos coloreados).

Para sustancias puras compuestas

• Métodos químicos: electrólisis del agua, descomposición térmica.

Sustancias puras simples no se separan por ningún método químico ordinario.

Solubilidad y saturación (ejemplos de cálculo)

Dato: a $25\,^{\circ}C$ se disuelven $36\,g$ de NaCl en $100\,g$ de H₂O.

• Mezcla de $20\,g$ de sal + $20\,g$ de agua ⇒ se requieren $\frac{20\times100}{36}=55.5\,g$ de agua para disolverla totalmente. Como falta agua, el sistema resulta heterogéneo (sal excedente).

• $20\,g$ sal + $120\,g$ agua ⇒ sobra agua, la sal se disuelve por completo → homogéneo.

• $160\,g$ sal + $400\,g$ agua ⇒ coincide con la proporción de saturación, sistema homogéneo en el límite (solución saturada).

Masa, peso y gravedad

Masa (m) es constante y se mide en kg.
Peso (P) es una fuerza: $P = m\,g$ (N), depende de la gravedad local (en la Tierra $g \approx 9.8\,m\,s^{-2}$; en la Luna $1.6\,m\,s^{-2}$). Por eso se “pesa” menos en la Luna.

Energía y su conservación

Energía potencial (Ep) por altura se transforma en energía cinética (Ec) durante la caída manteniendo la suma constante. Einstein demostró la equivalencia masa-energía: $E = m c^{2}$ (c = velocidad de la luz).

Fenómenos físicos vs. químicos

• Físicos: no alteran la estructura molecular. Ej.: fusiones, evaporaciones, disolución de sal (si no hay reacción), cambios de forma.

• Químicos: implican reordenamiento atómico. Ej.: combustión, fotosíntesis, electrólisis del agua $\mathrm{2H<em>2O \rightarrow 2H</em>2 + O_2}$.

Estado plasmático

Gas ionizado de alta energía; ejemplo: el plasma de una lámpara fluorescente o el viento solar. Comparte fluidez con los gases pero con partículas cargadas que responden a campos eléctricos y magnéticos.

Prefijos, números y constantes citados

• $10^{6}$ (Mega), $10^{-9}$ (Nano).

• Solubilidad: $36\,g$/$100\,g$ H₂O.

• Temperaturas de ejemplo: ambiente $22\,^{\circ}C$, fusión del hielo $0\,^{\circ}C$, ebullición del agua $100\,^{\circ}C$.

• Puntos de fusión/ebullición genéricos: $-80\,^{\circ}C$ y $60\,^{\circ}C$ → la sustancia será líquida a $25\,^{\circ}C$.

Ejemplos integradores

1. Sistema agua + hielo + vapor en recipiente cerrado → 1 componente, 3 fases → heterogéneo.

2. Lata de gaseosa sin abrir caliente → sistema cerrado (intercambia calor, no materia).

3. Termo con café → sistema aislado ideal: ni materia ni energía (mínimo intercambio real).

4. Aleaciones (acero, bronce) → sólidos homogéneos.

5. Mezcla de aire (N₂, O₂, CO₂) → solución gaseosa; gases siempre forman sistemas homogéneos entre sí.

Métodos de separación: mapa conceptual

• Heterogéneos → FILTRAR, DECANTAR, CENTRIFUGAR, TAMIZAR, IMANTAR, FLOTAR, TRÍA, DISOLUCIÓN selectiva.

• Homogéneos → EVAPORAR, DESTILAR, CROMATOGRAFIAR.
  • Sustancias compuestas → DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA (electrólisis).
  • Sustancias simples → NO separables.

Conexiones con la práctica sanitaria y ambiental

• Conocer unidades (hPa, mmHg) permite interpretar tensiones sanguíneas y meteorológicas.

• Clasificar sistemas (sangre como coloide) fundamenta técnicas médicas: centrifugación para obtener plasma.

• Principio de conservación de la energía y diferencia masa-peso son esenciales en nutrición, biomecánica y astronáutica.

• Separaciones físico-químicas inspiran tratamientos de purificación de agua y procedimientos de laboratorio.

Implicaciones éticas y filosóficas

• Precisión metrológica garantiza resultados reproducibles y decisiones responsables en salud y ambiente.

• Comprender que “energía no se crea ni se destruye” fomenta la eficiencia y la sostenibilidad.