¿SABÍAS QUE TODO LO QUE NOS RODEA ESTÁ FABRICADO CON MATERIALES? LAS CASAS, LOS MUEBLES, LOS JUGUETES Y HASTA LOS AUTOS ESTÁN HECHOS CON ALGÚN TIPO DE MATERIAL. LOS MATERIALES SON LOS ELEMENTOS QUE SE NECESITAN PARA FABRICAR UN OBJETO, Y SEGÚN DE DÓNDE VIENEN PUEDEN SER NATURALES O ARTIFICIALES ( TAMBIÉN CONOCIDOS COMO SINTÉTICOS).
MATERIALES NATURALES
COMO SU NOMBRE LO INDICA, SON AQUELLOS QUE VIENEN DE LA NATURALEZA. LOS MATERIALES NATURALES PUEDEN SER DE ORIGEN VEGETAL, ANIMAL O MINERAL.
MATERIALES DE ORIGEN VEGETAL: SE OBTIENEN DE LAS PLANTAS.
MATERIALES DE ORIGEN ANIMAL: SE OBTIENEN DE LOS ANIMALES.
MATERIALES DE ORIGEN MINERAL: SE OBTIENEN DE LOS MINERALES Y LAS ROCAS.
LA ARCILLA CON LA QUE SE FABRICAN ALGUNOS OBJETOS DE DECORACIÓN ES UN MATERIAL NATURAL.
EJEMPLOS
MADERA: PROVIENE DEL TRONCO DE LOS ÁRBOLES.
ALGODÓN: PROVIENE DE LA PLANTA DEL ALGODÓN.
NÁCAR: PROVIENE DE LA CONCHA DE UNOS ANIMALES QUE VIVEN EN EL MAR LLAMADOS OSTRAS.
METALES Y GEMAS PRECIOSAS: PROVIENEN DE LAS ROCAS EN EL SUELO. EL DIAMANTE, LA ARCILLA Y EL CARBÓN SE ENCUENTRAN EN ESTE GRUPO.
¿Sabías qué?
ALGUNOS MATERIALES SON UNA MEZCLA DE SERES VIVOS Y NO VIVOS, COMO POR EJEMPLO EL SUELO, QUE ESTÁ FORMADO POR PEQUEÑOS ORGANISMOS, RESTOS DE ANIMALES Y PLANTAS, ROCAS, AIRE Y AGUA.
¡DESCUBRE EL ORIGEN DEL MATERIAL!
TOMA UNA CARTULINA Y ESCRIBE AL LADO DE CADA PALABRA EL ORIGEN DEL MATERIAL NATURAL QUE SE ENCUENTRA EN EL SIGUIENTE LISTADO. RECUERDA QUE LOS MATERIALES NATURALES SON DE ORIGEN VEGETAL, ANIMAL O MINERAL.
POR EJEMPLO: MADERA – VEGETAL
MATERIAL
ORIGEN
ARENA
LECHE
PETRÓLEO
SEDA
MIEL
NÁCAR
EL NÁCAR ES UN MATERIAL DURO, BRILLANTE Y COLORIDO QUE SE USA PARA JOYAS O PARA DECORAR OBJETOS. PROVIENE DEL INTERIOR DE LAS OSTRAS.
MATERIALES ARTIFICIALES O SINTÉTICOS
SON AQUELLOS QUE VINIERON DE LA NATURALEZA PERO FUERON MODIFICADOS POR LAS PERSONAS.
LOS JUGUETES ESTÁN FABRICADOS CON MATERIALES ARTIFICIALES.
LA BASE PARA FABRICAR LOS OBJETOS SE CONOCE COMO MATERIA PRIMA. PARA CREAR UN OBJETO CON MATERIAL ARTIFICIAL SE REALIZA EL SIGUIENTE PROCESO:
SE EXTRAE LA MATERIA PRIMA DE LA NATURALEZA (POR EJEMPLO MADERA, AGUA Y PETRÓLEO).
SE TRANSFORMA EN UN MATERIAL ARTIFICIAL.
SE FABRICA EL OBJETO.
LA LANA SE UTILIZA PARA FABRICAR ROPA ABRIGADA Y MANTAS.
EJEMPLOS
PLÁSTICO: PROVIENE DEL PETRÓLEO. SIRVE PARA FABRICAR MUCHOS TIPOS DE OBJETOS QUE PODEMOS VER EN NUESTRA CASA COMO JUGUETES, VASOS Y BOTELLAS.
CARTÓN: PROVIENE DE LA MADERA. SIRVE PARA FABRICAR CAJAS DE DIVERSOS TIPOS.
PAPEL: PROVIENE DE UN MATERIAL NATURAL LLAMADO CELULOSA QUE SE OBTIENE DE LA MADERA DE LOS ÁRBOLES. LAS HOJAS DE LOS CUADERNOS ESTÁN HECHAS DE PAPEL.
VIDRIO: PROVIENE DE MINERALES QUE SE ENCUENTRAN EN EL SUELO Y QUE SE FUNDEN A TEMPERATURAS MUY ALTAS. EN GENERAL SE CONOCEN COMO SÍLICES. SIRVE PARA FABRICAR BOTELLAS, VENTANAS Y ESPEJOS.
LADRILLO: PROVIENE DE LA ARCILLA. SE UTILIZA PARA FABRICAR LAS PAREDES DE NUESTRAS CASAS.
¿Sabías qué?
LOS SERES HUMANOS AHORA USAMOS 20 VECES MÁS PLÁSTICO QUE HACE 50 AÑOS.
¡ESCOGE TU PAR FAVORITO!
EN LA SIGUIENTE IMAGEN HAY DIFERENTES OBJETOS, ESCOGE UN PAR QUE ESTÉ FABRICADO CON EL MISMO MATERIAL ARTIFICIAL Y ESCRIBE CUÁL ES EL MATERIAL NATURAL DE ORIGEN.
¿CÓMO SE LLAMA EL MATERIAL ARTIFICIAL DEL QUE ESTÁN HECHOS ESTOS BLOQUES DE JUGUETE?
A. MADERA
B. PLÁSTICO
C. VIDRIO
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
CONOCER LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ES MUY IMPORTANTE PARA PODER DECIDIR EL USO QUE VA A TENER CADA OBJETO QUE SE VAYA A FABRICAR. LAS PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES SON:
DUREZA: SE REFIERE A LA RESISTENCIA DE UN MATERIAL MIENTRAS SE ALTERA O SE DEFORMA.
– UN MATERIAL ES DURO CUANDO SE HACE DIFÍCIL O CASI IMPOSIBLE RAYARLO, PERFORARLO O CAMBIARLO DE FORMA. POR EJEMPLO EL DIAMANTE.
¿Sabías qué?
ALGUNOS MATERIALES PUEDEN SER MARTILLADOS O APLASTADOS EN MUCHAS FORMAS DIFERENTES SIN ROMPERSE Y SE LLAMAN MATERIALES MALEABLES.
– UN MATERIAL ES BLANDO CUANDO FÁCILMENTE SE PUEDE MOLDEAR O CAMBIAR SU FORMA. POR EJEMPLO LA MADERA.
¿DURO O BLANDO?
ESCRIBE EN LA LÍNEA DE ABAJO SI EL MATERIAL DEL QUE ESTÁ HECHO SU LÁPIZ ES DURO O BLANDO.
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FRAGILIDAD: SE REFIERE A LA FACILIDAD O DIFICULTAD QUE TIENE EL MATERIAL PARA ROMPERSE.
– UN MATERIAL ES FRÁGIL SI AL GOLPEARLO SE ROMPE CON FACILIDAD. POR EJEMPLO EL VIDRIO.
– UN MATERIAL ES TENAZ SI NO SE ROMPE CON FACILIDAD. POR EJEMPLO EL ACERO.
EL MATERIAL CON EL QUE ESTÁN FABRICADOS LOS OBJETOS QUE TIENEN EN LAS MANOS ES FRÁGIL.
FLEXIBILIDAD: SE REFIERE A LA FACILIDAD QUE TIENE UN MATERIAL PARA DOBLARSE SIN ROMPERSE.
– UN MATERIAL ES FLEXIBLE SI SE DOBLA FÁCILMENTE. POR EJEMPLO LA GOMA.
– UN MATERIAL ES RÍGIDO SI ES DIFÍCIL DE DOBLAR. POR EJEMPLO ALGUNOS METALES.
– UN MATERIAL ES ELÁSTICO SI AL ESTIRARLO O DEFORMARLO RECUPERA SU FORMA INICIAL. POR EJEMPLO EL RESORTE.
¿CONOCES ALGÚN MATERIAL ELÁSTICO?
SI LOGRAS IDENTIFICAR EL MATERIAL ELÁSTICO EN LA IMAGEN ESCRÍBELO EN LA LÍNEA DE ABAJO.
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RECURSOS PARA DOCENTES
Artículo “Generalidades de los materiales”
Artículo destacado con información detallada sobre los tipos de materiales y sus propiedades.
Todo aquello que tiene masa ocupa un volumen y posee cierta cantidad de energía se considera materia, palabra que deriva del latín y significa “sustancia de la que están hechas las cosas”. Ramas de la ciencia como la Física y la Química se encargan de estudiarla, y por lo tanto, dan explicación a fenómenos naturales y componentes del universo.
Química
Física
¿Qué es?
Rama de la ciencia.
Rama de la ciencia.
¿Qué estudia?
La materia: su composición, estructura y transformación.
La materia: sus características en relación a la energía y el tiempo.
Enfoque
Los cambios de la materia son estudiados a nivel estructural y molecular. Se ocupa de las interacciones entre sustancias y la energía, sus cambios (reacciones), síntesis y propiedades.
Los cambios de la materia son estudiados en base a las propiedades comunes de materiales.
Se ocupa de los principios fundamentales de los fenómenos físicos y las fuerzas básicas de la naturaleza, así como de los principios básicos que explican la materia y energía.
Conceptos fundamentales
Materia, elemento, átomo, molécula, ion, carga eléctrica, electrón, protón, neutrón, enlace, reacción, orbitales, solución y nomenclatura, entre otros.
Materia, partícula, campo, onda, espacio-tiempo, posición, energía, momentum, masa, carga eléctrica y entropía, entre otros.
Etimología
La palabra química tiene un origen controvertido. Proviene de la palabra alquimia y ésta deriva del árabe, aunque algunas hipótesis sugieren que deriva del griego. Uno de sus significados es “al arte de la metalurgia”.
La palabra física proviene del latín y del antiguo griego y significa “natural, relativo a la naturaleza”.
Las ondas suelen cambiar su comportamiento cuando se encuentran con un obstáculo en su recorrido. La superficie que separa los dos medios es la interfaz, y justo allí las ondas pueden pasar de un medio a otro si cambian la dirección de su movimiento o si bordean el obstáculo, lo logran gracias a fenómenos como la reflexión, refracción y difracción.
Reflexión
Refracción
¿Qué es?
Cambio de dirección del movimiento de una onda.
Cambio de dirección del movimiento de una onda.
¿Cuando ocurre?
Cuando la onda choca con un obstáculo.
Cuando la onda pasa de un material a otro.
Elementos:
1. Ondas incidentes
Es el frente de ondas que inciden sobre el obstáculo.
Es el frente de ondas que se propagan en el primer medio.
Elementos:
2. Ángulo de incidencia (i)
Es el ángulo que forma el rayo incidente con dirección determinada por la normal del obstáculo.
Es el ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la interfaz entre los medios materiales.
Elementos:
3. Ondas resultantes
Llamada onda reflejada, es el frente de ondas que se aleja del obstáculo.
Llamada onda refractada, es el frente de ondas que se propagan en el segundo medio.
Elementos:
4. Ángulos resultantes
Llamado ángulo de reflexión (r), es el ángulo que forma el rayo reflejado con la dirección determinada por la normal del obstáculo.
Llamado ángulo de refracción (r), es el ángulo que forma el rayo refractado con la normal de la interfaz.
Representación
Ejemplo
El reflejo de un paisaje sobre el agua se debe al rebote de la luz sobre la superficie que no puede atravesar.
Al introducir un lápiz dentro de un vaso pareciera que éste se quebrara, sucede porque la luz se desvía al cambiar de medio.
Los sistemas son elementos o unidades que se caracterizan por estar interrelacionados y tener un propósito en común. Los sistemas generalmente se clasifican en dos tipos: sistemas abiertos y sistemas cerrados, de acuerdo al intercambio de energía y materia.
Sistemas abiertos
Sistemas cerrados
Definición
Son aquellos en los que una cantidad o una serie de cantidades de materia y energía puede entrar o salir del sistema en un grado significativo.
Son aquellos en los que una cantidad o una serie de cantidades de energía puede entrar o salir del sistema en un grado significativo.
Intercambio de energía
Sí.
Sí.
Intercambio de materia
Sí.
No.
Ejemplos
El cuerpo humano, la Tierra y muchos ecosistemas.
Una olla de presión, el motor de un auto y el televisor, entre otros.
Durante milenios los seres humanos se han preguntado cómo surge la nueva vida, y esto se ha mantenido en una constante disputa entre la religión, la filosofía y la ciencia. Una de las primeras explicaciones fue la teoría de la generación espontánea, ampliamente aceptada durante la Edad Media.
Teoría de la generación espontánea
Esta teoría tiene como objetivo explicar el surgimiento aparentemente repentino de organismos en la materia inerte. Sugiere que estos no descienden de otros organismos y que sólo requiere que se cumplan ciertas condiciones en su entorno para que ocurra la creación.
La generación espontánea es la hipótesis incorrecta de que las cosas no vivas son capaces de producir vida.
Aristóteles como precursor
Aristóteles fue quien teorizó que la materia no viva contenía un calor vital llamado pneuma. Sugirió que los animales y las plantas podrían surgir de la tierra y del líquido, porque había calor vital en el aire, aire en el agua y agua en la tierra. Esta creencia sentó las bases para la teoría de la generación espontánea.
Generación espontánea de ratones
Para crear ratones se requiere que la ropa interior sucia y el grano de trigo se mezclen y se dejen al aire libre. En 21 días o menos, aparecerían los ratones. La causa real puede parecer obvia desde una perspectiva moderna, pero para los defensores de esta idea, los ratones surgieron espontáneamente de los granos de trigo.
La teoría de la generación espontánea persistió en el siglo XVII, cuando los científicos realizaron experimentos adicionales para apoyarla o refutarla.
Redi Vs. Needham
En 1668 un científico italiano llamado Francesco Redi diseñó un experimento para probar la creación espontánea de gusanos. Redi sospechaba que las moscas que aterrizaban en la carne ponían huevos y estos eventualmente se convertían en gusanos.
Para probar esta idea realizó el siguiente experimento:
Usó tres piezas de carne.
Una de ellas la colocó debajo de una hoja de papel, como resultado las moscas no pudieron poner huevos en la carne y no se desarrollaron gusanos.
La segunda pieza la dejó al aire libre, donde aparecieron los gusanos.
La tercera pieza la cubrió con una gasa. Las moscas fueron capaces de poner los huevos en la gasa pero en la carne no se desarrollaron gusanos.
Para concluir, colocó la gasa que contenía los huevos en un trozo de carne fresca y observó como se desarrollaron los gusanos.
El experimento de Redi demostró que fueron los huevos los que originaron las moscas y no la generación espontánea.
En Inglaterra, John Needham desafió los hallazgos de Redi al realizar un experimento en el que colocó un caldo orgánico en una botella, lo calentó para matar cualquier organismo que estuviese dentro y luego la selló. Días después, informó sobre la presencia de vida en el caldo y anunció que la vida había sido creada a partir de materia no viva.
Experimento de Spallanzani
Lazzaro Spallanzani, también un científico italiano, revisó los datos y el diseño experimental de Redi y Needham y concluyó que quizás el calentamiento de la botella de Needham no mató todo lo que había dentro, por lo que construyó su propio experimento.
Colocó caldo en cada una de las dos botellas.
Hirvió el caldo en ambas botellas.
Selló una botella y dejó la otra abierta.
Días después, la botella sin sellar estaba llena de pequeños seres vivos que observó con más precisión en el microscopio recién inventado. La botella sellada no mostraba signos de vida.
El experimento de Spallanzani ciertamente excluye a la generación espontánea como una teoría viable.
Llegada de la microscopía
La invención del microscopio en ese momento sirvió para realzar la creencia de la generación espontánea. La microscopía reveló un mundo completamente nuevo de organismos que parecían surgir espontáneamente.
Algunos científicos notaron que Spallanzani, al haber privado la botella de aire, había obviado el hecho de que éste era necesario para la generación espontánea. Aunque su experimento fue exitoso, una fuerte refutación debilitó sus afirmaciones.
Experimento de Pasteur
Louis Pasteur, un científico francés, aceptó el desafío de recrear el experimento y dejar el sistema abierto al aire.
Diseñó varias botellas con cuellos curvos en S orientados hacia abajo para que la gravedad impidiera el acceso de materiales extraños en el aire.
Colocó un caldo enriquecido con nutrientes en una de las botellas de cuello de cisne.
Hirvió el caldo y no observó vida en la botella durante un año.
Luego rompió la parte superior de la botella, la expuso más directamente al aire y observó formas de vida en el caldo en unos días.
Concluyó que mientras el polvo y otras partículas en el aire quedaran atrapadas en el cuello en forma de S de la botella, no se crearía vida hasta que se eliminara ese obstáculo.
Pasteur finalmente convenció al mundo de que aunque la materia inerte estuviese expuesta al aire no surgirían formas de vida en ella.
¿Sabías qué...?
La pasteurización originalmente fue el proceso de calentar los alimentos para eliminar microorganismos dañinos antes del consumo humano.
La biología es el estudio de la vida, que incluye el origen, la evolución, la función, la estructura y la distribución de los organismos vivos. Esta ciencia se ocupa también de la clasificación de los organismos y de la interacción de estos dentro de un entorno.
No se puede negar la interrelación que existe entre las diferentes ramas de la ciencia. Cada una de ellas se relaciona con otras y en particular la biología, ya que esta necesita como base la inclusión de otras ciencias para el estudio de los organismos. Esto constituye la base de las ciencias interdisciplinarias.
La biología está ligada a otras ciencias de la siguiente manera:
Física
La física proporciona la base para la biología. Sin espacio, materia, energía y tiempo, que son los componentes que conforman el universo, los organismos vivientes no existirían.
La física ayuda a explicar cómo los murciélagos usan ondas de sonido para volar en la oscuridad y cómo las alas dan a los insectos la capacidad de moverse por el aire.
En algunos casos, la biología ayuda a probar las leyes y las teorías físicas. El físico Richard Feynman afirma que la biología ayudó a los científicos a elaborar la ley de conservación de la energía.
La interacción entre estas dos ciencias dio origen a la biofísica, que se ocupa del estudio de los principios de la física, aplicables a los fenómenos biológicos. Por ejemplo, hay una similitud entre los principios de trabajo de la palanca en la física y las extremidades de los animales en la biología.
Química
La química y la biología no solo están relacionadas, sino que están completamente entrelazadas, ya que todos los procesos biológicos derivan de procesos químicos. Así que la capacidad de crecimiento, reproducción, actividad funcional y cambio continuo en los seres vivos no puede ocurrir sin reacciones químicas.
Incluso los procesos aparentemente físicos, tales como el movimiento muscular, requieren de la liberación de energía química, que siguen procesos ordenados por el código de ADN de un organismo.
El ADN es en sí mismo una cadena codificada de sustancias químicas que implementa sus instrucciones mediante procesos químicos.
Es allí, por tanto, que entra la bioquímica una rama específica del estudio biológico que se centra en los soportes químicos de la vida misma. Trata del estudio de la química de los diferentes compuestos y procesos que se producen en los organismos vivos.
El estudio de los metabolismos básicos de la fotosíntesis y la respiración se basan en reacciones químicas.
Estrecha relación con la Física y la Química
Inicialmente, la biología era una ciencia descriptiva que buscaba estudiar la morfología de los seres vivos y su organización sistemática en grupos y subgrupos basados en similitudes y diferencias.
El conocimiento actual en el campo de la biología se ha logrado con la ayuda de ciencias como la física y la química. Este enfoque multidisciplinario es esencial por diversos motivos:
Todos los organismos vivos están formados por compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos en agua.
Los compuestos inorgánicos se presentan en forma de iones. Estos influyen en el ambiente interno de los seres vivos y, en consecuencia, en los procesos de la vida.
El equilibrio ácido-base mantiene el pH específico dentro de los organismos para proporcionar el entorno más adecuado en la realización de diversas reacciones bioquímicas.
La tensión superficial y la capilaridad producida por la fuerza cohesiva y adhesiva de los líquidos también ayudan en ciertos procesos de vida.
La difusión y la ósmosis son responsables del movimiento de iones y moléculas dentro y fuera de las células.
La transferencia de energía y la transformación de energía son dos acontecimientos importantes en todas las células vivas.
Matemática
A diferencia de la física y la química, la biología no suele ser una ciencia asociada a las matemáticas. Pero debido a que hay aspectos cuantificables de las ciencias de la vida, las matemáticas juegan un papel importante en la comprensión del mundo natural.
La biología matemática es un campo de investigación que examina las representaciones matemáticas de los sistemas biológicos.
Ejemplo cuantificable
Un biólogo que estudia migraciones de mariposas entra en el campo y cuenta una población de la muestra en una región confinada y después multiplica los números de la muestra por el rango geográfico total para conseguir una estimación de la población.
A continuación, vuelve a su laboratorio y revisa los informes de otros investigadores que describen el lapso del patrón de migración y el uso de cálculos vectoriales para predecir su futuro recorrido. Finalmente, examina los datos de años anteriores sobre el número de mariposas y la ubicación para establecer un margen de error probable para su predicción.
En cada paso de este proceso, intervienen las matemáticas para medir, predecir y comprender los fenómenos naturales.
Un subcampo de la ciencia biológica es el campo de la bioestadística, en el cual se usan análisis estadísticos para describir y explicar las ciencias de la vida, con el propósito de encontrar correlaciones o relaciones interdependientes entre variables y comparar variables entre sí.
Geografía
La geografía y la biología se relacionan en el estudio de la ocurrencia y distribución de diferentes especies de organismos en las distintas regiones geográficas del mundo, esto es lo que se conoce como biogeografía.
La biogeografía aplica el conocimiento de las características particulares de las regiones geográficas para determinar las de los organismos vivos allí encontrados.
Antropología
La antropología biológica es el estudio de la evolución de la especie humana y se ocupa especialmente de comprender las causas de la diversidad humana actual. Dentro de esta definición abarca campos tan heterogéneos como la paleontología humana, la biología evolutiva, la genética humana, la anatomía comparada y la fisiología, el comportamiento de los primates, la ecología del comportamiento humano y la biología humana.
La biología y la antropología se unen en la búsqueda de fósiles que permitan explicar el origen y evolución de la humanidad.
Agronomía
La relación se da por medio de la agricultura biológica, la cual entiende la necesidad de equilibrio entre los tres aspectos del suelo, físico, químico y biológico para sostener la vida.
Todo proviene del suelo y vuelve al suelo, es un sistema no vivo con billones de organismos que reciclan nutrientes y sostienen la vida.
La forma en que se maneja el suelo y la vida microbiana determina la vitalidad de los alimentos de origen vegetal que consumimos.
La pareja dispareja
Hay casos en que la física no puede explicar los sucesos biológicos y viceversa. La física y la biología no pueden explicar el origen de la vida o cómo los objetos inorgánicos pasaron a la vida orgánica. La Universidad de Cornell de Nueva York afirma que la teoría biológica de la evolución contradice la segunda ley de la termodinámica, puesto que la naturaleza no puede crear el orden a partir del desorden y la evolución es un proceso que crea niveles crecientes de orden.
Un átomo es una pieza fundamental de la materia, todo en el universo (excepto la energía) está hecho de materia y, por lo tanto, todo en el universo está hecho de átomos.
Átomo-gramo de un elemento es un peso de ese elemento igual a su peso atómico expresado en gramos. Por ejemplo, como el peso atómico del níquel es 58,71 el átomo-gramo de este elemento será 58,71 gramos.
Análogamente, para una sustancia, molécula-gramo o mol es un peso igual a su peso molecular expresado en gramos. Por ejemplo, el peso molecular del CaO es 56,08, o sea que un mol de CaO serán 56,08 gramos.
Puede darse una definición similar para equivalente-gramo.
¿Sabías qué...?
Antes de que Dalton lanzara su primer modelo atómico en 1803, Demócrito en el 450 a. C. ya había afirmado que la materia estaba formada por átomos, sin embargo, los estudios no continuaron.
De la definición se deduce que en un mol de cualquier sustancia tiene el mismo número de moléculas (pueden hacerse afirmaciones similares para el átomo-gramo y el equivalente-gramo).
Ese número es el llamado número de Avogadro, se representa como N y vale N = 6,0235·1023. Proponemos la tarea de razonar cómo el número de Avogadro permite calcular el peso en gramos de cualquier átomo o molécula a partir de su peso atómico o molecular, y de justificar por qué es N = 1/12·P(C12), o sea un doceavo del peso en gramos del átomo del carbono-12.
Modelo atómico
El modelo atómico ha cambiado con el tiempo. Durante más de dos siglos, los científicos han creado diferentes modelos de acuerdo a lo que han aprendido, entre estos modelos están los de: Dalton, Thompson, Nagaoka, Rutherford, Bohr, Sommerfeld, Schrödinger y Dirac.
La termodinámica se refiere al estudio de la transferencia de energía. Dentro de esta rama, la materia es un elemento fundamental ya que es la que conforma, junto con el entorno, sistemas claves que permiten el entendimiento de muchos procesos que se dan en nuestro planeta.
¿Qué es un sistema?
Un sistema se define como un grupo de unidades interactivas o elementos que tienen un propósito común. Estas unidades o elementos pueden ser engranajes, cables, personas, animales y computadoras, entre otros. Los sistemas generalmente se clasifican como sistemas abiertos y sistemas cerrados, y pueden tomar la forma de sistemas mecánicos, biológicos o sociales.
Sistemas y subsistemas
Algunos grandes sistemas son divididos (para poder ser estudiados por el hombre) en subsistemas, como por ejemplo la Tierra, un gran sistema abierto que cuenta con 4 subsistemas que corresponden con sus capas: atmósfera, biosfera, hidrósfera y geósfera.
Como todo en el mundo físico, la energía está sujeta a las leyes de la física. Las leyes de la termodinámica rigen la transferencia de energía en y entre todos los sistemas.
Un sistema puede ser conceptual o real, por ejemplo, un sistema conceptual incluye definiciones, símbolos e instrumentos del pensamiento, como por ejemplo, sistemas matemáticos o sistemas lógicos. En cambio, los sistemas reales incluyen la transferencia de materia, energía o información con su entorno; las células y la biósfera son ejemplos perfectos de sistemas reales, ya que ellos están en constante intercambio de energía y materia con el entorno (abierto), por supuesto, existen sistemas reales en los que solo se intercambia energía (cerrados) o sistemas en los que no existe ningún tipo de intercambio (aislados).
En el campo de la informática es concepto de sistemas es muy aplicado. Un sistema informático incluye el hardware, el software y el soporte humano.
¿Qué es la teoría de los sistemas?
La teoría de sistemas es una teoría interdisciplinaria sobre la naturaleza de los sistemas complejos en la naturaleza, la sociedad y la ciencia, y es un marco por el cual uno puede investigar y/o describir cualquier grupo de objetos que trabajen juntos para producir algún resultado. Esto podría ser un solo organismo, cualquier organización o sociedad, o cualquier artefacto electromecánico o informativo. Fue propuesta por el biólogo austriaco Ludwig von Bertalanffy en 1950 y su objetivo final era estudiar la aplicabilidad de los sistemas en las distintas ramas de estudio.
¿Cuáles son los tipos de sistemas?
Un sistema abierto es aquel en el que una cantidad o serie de cantidades puede entrar o salir del sistema en un grado significativo. En los sistemas abiertos intervienen seres vivos que tienen una relación íntima con el ambiente que los rodea de la misma manera, el ambiente interacciona con dichos seres vivos. ambos se benefician y dependen el uno del otro.
Los organismos biológicos son sistemas abiertos, la energía se intercambia entre ellos y su entorno, ya que consumen moléculas que almacenan energía y liberan energía al medio ambiente al hacer el trabajo. El cuerpo humano es un ejemplo muy común de sistema abierto, ya que está en constante intercambio de materia y energía y siempre necesita insumos orgánicos que obtiene del ambiente. Por otro lado, el cuerpo también expulsa sustancias de desecho de vuelta al medio ambiente. Si alguna de estas dos interacciones falla, el sistema, es decir, el cuerpo, fallece.
Las plantas también son sistemas abiertos, ellas necesitan la materia (agua y nutrientes) y la energía del Sol para realizar sus funciones metabólicas.
¿Qué son los sistemas cerrados?
Un sistema cerrado es aquel donde una cantidad o serie de cantidades de materia no puede entrar o salir del sistema. Por ejemplo, un termo de vacío hace un buen trabajo para evitar que la materia salga del sistema y mantiene la bebida caliente, por lo tanto, podría tener sentido tratarlo como un sistema cerrado, pero ningún sistema en el mundo real está perfectamente cerrado, por lo que solo será una aproximación.
Las ollas de presión son otro ejemplo común, en ellas existe un intercambio de energía, pero la materia no es liberada, las ollas impiden que los gases que se generan en su interior para cocinar la comida escapen. Sin embargo, la energía en forma de calor sí escapa y la energía necesaria para iniciar la cocción también proviene del medio exterior.
Las ollas a pesar de dejar escapar la energía no dejan escapar la materia.
¿Qué son los sistemas aislados?
Son aquellos en los que no existe ningún cambio, ni de materia, ni de energía, esto no ocurre tan estrictamente, y en muchos de los sistemas considerados aislados hay pequeños intercambios con el entorno a lo largo del tiempo. Los ejemplos clásicos de sistemas aislados son los termos o los conservadores de hielo.
Los sistemas nunca permanecen completamente aislados ya que con el tiempo alguna perturbación puede provocar alguna liberación de materia o energía.
¿Sabías qué...?
La Tierra es considerada un sistema material ya que está en constante intercambio con el espacio, recibe micrometeoritos y otros tipos de materia e intercambia moléculas al exterior.
Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas como el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, toman una variedad de formas químicas y pueden existir durante largos períodos en la atmósfera, en tierra, en agua o debajo de la superficie terrestre.
Procesos geológicos como la erosión, el drenaje de agua, el movimiento de las placas continentales y la meteorización, están involucrados en el ciclo de elementos en la Tierra. El reciclaje de materia inorgánica entre los organismos vivos y su medio ambiente se denomina ciclo biogeoquímico.
El término biogeoquímico proviene de los procesos biológicos, geológicos y químicos que causan la transferencia de materia.
Los ciclos biogeoquímicos pueden clasificarse como gaseosos, en los que el reservorio es el aire o los océanos (por evaporación) y sedimentarios, en el que el yacimiento es la corteza terrestre. Los gaseosos tienden a moverse más rápidamente que los sedimentarios y se ajustan más fácilmente a los cambios en la biosfera debido al gran reservorio atmosférico.
Ciclo del agua
Una molécula muy significativa en nuestro planeta que recorre los ecosistemas es la molécula de agua (H2O). Si bien generalmente se trata del ciclo del agua como los diversos estados que presenta la misma, al menos algunas moléculas de agua son absorbidas por las plantas y se dividen en átomos de hidrógeno y oxígeno; este último se libera en la atmósfera como oxígeno molecular (O2). Así, en virtud de los organismos fotosintéticos, el ciclo del agua es una parte importante de los ciclos del oxígeno y del hidrógeno.
La mayor parte del agua se encuentra en los océanos y las capas polares, aunque el agua también está presente en lagos y ríos de agua dulce, el cuerpo de los organismos y en el suelo como agua subterránea.
El agua se mueve entre los depósitos de almacenamiento por medio de la evaporación, la precipitación y por escurrimiento de la tierra.
El ciclo de sedimentación es una extensión del ciclo hidrológico. El agua transporta material de la tierra al océano, donde se añaden como sedimentos. El ciclo de sedimentos incluye la erosión física y química, el transporte de nutrientes y la formación de sedimentos a partir de los flujos de agua.
El ciclo de sedimentos está ligado con el flujo de seis elementos importantes, que son el hidrógeno, el carbono, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Estos elementos, también conocidos como macroelementos, constituyen el 95 % de todos los seres vivos. El equilibrio de estas moléculas es necesario para sostener la vida.
Ciclo del carbono
El carbono es uno de los elementos más importantes para los organismos vivos, como lo demuestra su abundancia y presencia en todas las moléculas orgánicas. El ciclo del carbono ejemplifica la conexión entre los organismos en varios ecosistemas. El carbono se intercambia entre los heterótrofos y los autótrofos dentro y entre los ecosistemas principalmente a través del CO2 atmosférico, una versión completamente oxidada del carbono que sirve como bloque básico para que los autótrofos puedan construir moléculas orgánicas de alta energía como la glucosa.
¿Sabías qué...?
La liberación mundial de carbono a través de las actividades humanas ha aumentado de 1 billón de toneladas al año en 1940 a 6,5 millones de toneladas en el año 2000.
Los fotoautótrofos y los quimioautótrofos aprovechan la energía del Sol y de los compuestos químicos inorgánicos para unir los átomos de carbono y transformarlos en compuestos orgánicos reducidos cuya energía se puede absorber posteriormente a través de los procesos de respiración y fermentación.
Ciclo del carbono
Ciclo del nitrógeno
En el suelo, así como en las raíces de ciertas plantas, el nitrógeno es fijado por bacterias, rayos y radiación ultravioleta.
Las bacterias fijan el nitrógeno elemental en una forma que puede ser usada por los organismos.
Ciertas bacterias toman las formas en las que se fijó el nitrógeno y posteriormente lo procesan. Este proceso que se conoce como oxidación proporciona energía para que el ciclo del nitrógeno tenga lugar. Las plantas absorben nitratos o iones de amonio del suelo y los convierten en compuestos orgánicos; por su parte, los animales obtienen nitrógeno mediante el consumo de plantas u otros animales.
Los residuos de los animales contienen nitrógeno; por lo tanto, independientemente de la forma de excreción del animal, algún nitrógeno se libera de nuevo en el ecosistema a través de este proceso.
Muchos problemas ambientales son causados por la interrupción del ciclo del nitrógeno gracias a la actividad humana, desde la producción de smog troposférico hasta la perturbación del ozono estratosférico y la contaminación del agua subterránea. Un ejemplo de uno de los problemas causados es la formación de gases de efecto invernadero.
Ciclo de Azufre
El azufre es un elemento esencial para las macromoléculas de los seres vivos. Varios grupos de microorganismos son responsables de llevar a cabo los procesos implicados en el ciclo del azufre.
El ciclo del azufre contiene tanto procesos atmosféricos como terrestres.
Dentro de la porción terrestre, el ciclo comienza con el desgaste de las rocas, lo que hace que el azufre almacenado se libere; luego entra en contacto con el aire donde se convierte en sulfato. El sulfato es absorbido por plantas y microorganismos y se convierte en formas orgánicas; los animales consumen estas formas orgánicas a través de los alimentos, de tal manera que es movido a través de la cadena alimentaria. A medida que los organismos mueren y se descomponen, se libera de nuevo como sulfato y algunos entran en los tejidos de los microorganismos. También hay una variedad de fuentes naturales que emiten azufre directamente en la atmósfera, donde se incluyen las erupciones volcánicas, la descomposición de materia orgánica en pantanos y la evaporación del agua.
El azufre eventualmente se instala en la Tierra. Una pérdida continua de este elemento ocurre a través del drenaje en lagos y arroyos, y ocasionalmente en océanos. Dentro del océano se realizan algunos ciclos de azufre a través de las comunidades marinas, que se mueven a través de la cadena alimentaria; una parte de este es emitida de nuevo a la atmósfera por la evaporación, el restante se pierde en las profundidades del océano, donde se combina con el hierro para formar el sulfuro ferroso que es el responsable del color negro de la mayoría de los sedimentos marinos.
Una tercera parte de todo el azufre que llega a la atmósfera proviene de las actividades humanas.
Ciclo del fósforo
El fósforo es un elemento importante para todas las formas de vida. Como fosfato, constituye una parte importante del marco estructural que mantiene el ADN y el ARN juntos. Al igual que el calcio, el fósforo es importante para los vertebrados; en el cuerpo humano, el 80 % del fósforo se encuentra en los dientes y huesos.
El ATP contiene tres moléculas de fosfato que requieren fósforo.
El ciclo de fósforo difiere de los otros ciclos biogeoquímicos en que no incluye una fase gaseosa; aunque pequeñas cantidades de ácido fosfórico pueden llegar a la atmósfera, lo que contribuye, en algunos casos, a la lluvia ácida. Muy poco fósforo circula en la atmósfera porque a las temperaturas y presiones normales de la Tierra, el fósforo y sus diversos compuestos no son gases. El fósforo se mueve en un ciclo a través del agua, el suelo, los sedimentos y los organismos, pero el mayor reservorio de fósforo está en la roca sedimentaria.
Los cambios en el ciclo del fósforo no tienen efectos directos sobre el clima, pero su disponibilidad condiciona la actividad vegetal y microbiana en los ecosistemas.
Con el tiempo, la lluvia y la intemperie causan que las rocas liberen iones de fosfato y otros minerales. Este fosfato inorgánico se distribuye entonces en el suelo y en el agua.
Las plantas absorben fosfato inorgánico del suelo y pueden ser consumidas por los animales; una vez en la planta o el animal, el fosfato se incorpora en moléculas orgánicas como el ADN. Cuando la planta o el animal mueren, se descomponen por la acción de bacterias, el fosfato orgánico se devuelve al suelo y puede estar disponible nuevamente para las plantas. Este proceso se conoce como mineralización.
El fósforo en el suelo puede terminar en los cursos de agua y eventualmente en los océanos. Una vez allí, se puede incorpora con el tiempo a los sedimentos.
El mismo proceso ocurre dentro del ecosistema acuático. El fósforo no es muy soluble, se une fuertemente a las moléculas en el suelo y alcanza principalmente las aguas donde viaja con las partículas de suciedad. Los fosfatos también entran en las vías fluviales a través de escurrimientos de fertilizantes, filtraciones de aguas residuales, depósitos minerales naturales y desechos de otros procesos industriales.
Aunque obviamente es beneficioso para muchos procesos biológicos, en aguas superficiales una concentración excesiva de fósforo se considera un contaminante. El fosfato estimula el crecimiento excesivo del plancton y las plantas, que tienden a consumir grandes cantidades de oxígeno disuelto, lo que potencialmente sofoca a los peces y otros animales marinos, al mismo tiempo que bloquea la luz solar disponible para las especies que habitan en el fondo. Esto se conoce como eutrofización.
Contaminación
Las actividades humanas han aumentado considerablemente los niveles de CO2 en la atmósfera y los niveles de nitrógeno en la biosfera. Los ciclos biogeoquímicos alterados combinados con el cambio climático aumentan la vulnerabilidad de la biodiversidad, la seguridad alimentaria, la salud humana y la calidad del agua.
Todas las partículas tienen energía que varía de acuerdo a la temperatura de la muestra, lo que determina si la sustancia es un sólido, un líquido o un gas. Las partículas sólidas tienen la menor cantidad de energía, mientras que las partículas de gas poseen la mayor cantidad.
¿En qué consiste esta teoría?
La teoría cinética de la materia afirma que ésta se compone de un gran número de pequeñas partículas o moléculas individuales que están en constante movimiento. Ayuda a explicar el flujo o transferencia de calor y la relación entre la presión, la temperatura y las propiedades del volumen.
¿Sabías qué...?
La teoría cinética de la materia también es ilustrada por el proceso de difusión, donde se da el movimiento de partículas desde una alta concentración a una baja concentración.
Es un modelo utilizado para explicar el comportamiento de la materia y se basa en una serie de postulados:
La materia está hecha de partículas en constantemente movimiento.
La energía en movimiento se llama energía cinética y la cantidad en una sustancia está relacionada con su temperatura.
La materia puede existir en las fases sólida, líquida y gaseosa.
Hay espacio entre las partículas. El tamaño de este espacio está relacionado con el estado de la sustancia.
Los cambios de fase ocurren cuando la temperatura de la sustancia cambia lo suficiente.
Hay fuerzas de atracción entre las partículas llamadas fuerzas intermoleculares que aumentan a medida que dichas partículas se acercan.
Si hay un aumento de temperatura, los átomos y moléculas ganarán más energía y se moverán aún más rápido.
Propiedades de los líquidos
Una de las propiedades más notables de los líquidos es que son fluidos, es decir, pueden fluir. Los líquidos tienen un volumen definido, pero no una forma definida. El movimiento de las partículas está restringido en gran medida por el volumen del líquido.
Hay menos espacio entre las partículas que en los gases, pero hay más que en los sólidos. Las partículas líquidas también tienen relativamente más energía que las partículas sólidas, es lo que permite que los líquidos fluyan.
Las fuerzas intermoleculares en un líquido dependen de la composición química del propio líquido.
La fuerza intermolecular se ve afectada por la cantidad de energía cinética en la sustancia; cuanta más energía cinética exista, más débil es la fuerza entre las moléculas. Los líquidos tienen más de esta energía que los sólidos, por lo que las fuerzas entre sus partículas tienden a ser más débiles.
Propiedades de los sólidos
Las sustancias sólidas tienen formas y volúmenes definidos. Las partículas sólidas tienen relativamente poca energía cinética y vibran en su lugar. Debido a esto, no pueden fluir como los líquidos. En los sólidos, el movimiento de partículas está completamente restringido dentro de un área pequeña, lo que ayuda al sólido a mantener su forma.
La energía cinética está determinada básicamente por la velocidad de cada partícula participante.
La mayoría de los sólidos están dispuestos en una estructura apretada, de manera ordenada y repetitiva de partículas llamada red cristalina. La forma del cristal muestra la disposición de éstas en el sólido.
Algunos sólidos no tienen forma cristalina y son llamados sólidos amorfos porque no tienen estructuras internas ordenadas. Ejemplos de sólidos amorfos son el caucho, el plástico, la cera y el vidrio.
Los sólidos se pueden moldear en cualquier forma.
Propiedades de los gases
La teoría cinética explica la temperatura, la presión y el volumen de un gas en términos del movimiento de moléculas.
Según esta teoría, los gases están formados por partículas diminutas que se encuentran en movimiento aleatorio y además experimentan colisiones entre sí y con las paredes del contenedor, pero de lo contrario no interactúan.
En un medio gaseoso el espacio entre las partículas es muy grande, esto da como resultado la ausencia de fuerzas atractivas o repulsivas entre las moléculas.
En la teoría cinética se hacen las siguientes suposiciones acerca de los gases ideales:
El gas contiene un gran número de moléculas idénticas.
Las colisiones entre moléculas son perfectamente elásticas, al igual que las moléculas y las paredes del contenedor.
El tiempo de colisión es insignificante en comparación con el tiempo transcurrido entre las colisiones.
Las moléculas no se atraen entre sí si no hay fuerzas intermoleculares.
Las moléculas están en constante movimiento al azar.
El volumen de las moléculas es despreciable en comparación con el volumen del gas o el recipiente.
Las leyes del movimiento de Newton pueden aplicarse a las moléculas
La energía cinética media de una colección de partículas de gas depende de la temperatura del gas y nada más.
Plasma
Los plasmas son gases ionizados que en su forma natural son poco comunes en la Tierra. Se pueden observar en cosas artificiales, como letreros de neón y bombillas fluorescentes. Pero en el resto del universo el plasma es la fase más común de la materia. La mayoría de las estrellas son de plasma, al igual que las luces del norte que se ven alrededor de las regiones polares.
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