[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [La materia y sus propiedades] [Introducción] [Los estados de la materia] [Cualitativas y cuantitativas] [Químicas y físicas] [Algunos instrumentos de laboratorio] [Algunos procedimientos de laboratorio] [Sustancias puras e impuras] [Elementos y compuestos] [Abundancia de los elementos] [Propiedades energéticas] [Referencias]
Varios tipos de materia se distinguen por sus propiedades. Una propiedad es una característica distintiva de una sustancia que se utiliza en su identificación y descripción. Cada sustancia tiene un conjunto único de propiedades que la distingue de todas las otras sustancias. Existen muchas formas de distinguir las propiedades de la materia, pero desde un punto de vista matemático podemos hablar de las propiedades cualitativas y cuantitativas, y dentro de las cuantitativas están las constantes o intensivas y las variables o extensivas.
Figura 3‑1. Clasificación de las propiedades de la materia siguiendo criterios matemáticos.
Propiedades cualitativas
Las
propiedades cualitativas son propiedades que se observan y generalmente no se
pueden medir con un resultado numérico, porque no se cuenta con un instrumento apropiado.
Se contrastan con propiedades cuantitativas que tienen características
numéricas debido a que se cuenta con un instrumento adecuado.
De
acuerdo a lo anterior, la diferencia entre propiedad cuantitativa y cualitativa
no es algo que sea intrínseco de la propiedad en si misma, sino de la
posibilidad de poder medirla de alguna forma estándar. Por ejemplo, la acidez
de una sustancia se puede clasificar como ácida o básica dependiendo de su la
sustancia genera un cambio de color sobre papel tornasol entre azul o rojo, los
cuales serían cualidades discretas. Sin embargo, con un potenciómetro y la
escala de acidez llamada pH podemos cuantificar el poder acido de la misma
sustancia numéricamente.
Propiedades cuantitativas
Las propiedades cuantitativas emergen al
comparar una propiedad de la materia con un instrumento de medida que posee una
escala apropiada en base a un patrón estándar (ver capítulo de unidades y
medidas). La masa, el tiempo, la distancia, el calor y el ángulo se encuentran
entre los ejemplos familiares de propiedades cuantitativas cuando se miden con
una balanza, cronómetro, metro, termómetro o un transportador, pero serán
cualitativas si se comparan entre sí sin un patrón de medida.
Propiedades extensivas
El Libro
de dorado de la IUPAC define una propiedad extensiva como una cantidad física
cuya magnitud es aditiva para los subsistemas. El valor de dicha propiedad
aditiva es proporcional al tamaño del sistema que describe o a la cantidad de
materia en el sistema.
Figura 3‑2. Propiedades extensivas. Las relaciones entre propiedades extensivas y la cantidad de
sustancia no son constantes, pero si directamente proporcionales o en algunos
casos raros, inversamente proporcionales.
Por
ejemplo, la masa de una muestra es una cantidad extensiva; depende de la
cantidad de sustancia, siendo a su vez la cantidad de sustancia entendida como
la cantidad de partículas.
Continuidad
Las cantidades discretas son aquellas que
varían con respecto a la cantidad de sustancia a saltos discontinuos. Por el
contrario, las cantidades continuas generan variaciones infinitesimalmente continuas
con respecto a la variación en la cantidad de materia. En muchas ocasiones, la
discontinuidad no se debe a que la propiedad sea intrínsecamente discontinua,
sino a la imposibilidad todos los rangos de variación posibles, un fenómeno que
los matemáticos y filósofos han abordado desde la antigüedad empleando la
paradoja de Aquiles y la Tortuga o la paradoja de Sorites desde hace milenios,
y que solo encontró una solución adecuada con la invención del cálculo por
parte de Isaac Newton y Gottfried Leibniz.
En química introductoria generalmente
trabajamos cantidades discontinuas, las cuales llamamos variables de estado,
porque de lo contrario tendríamos que introducir conceptos de cálculo como
derivadas y cambios instantáneos casi al principio del curso.
Proporcionalidad
Una
determinada ley natural puede vincular dos propiedades extensivas del sistema
de dos formas básicas, directamente proporcional e inversamente proporcional.
Una relación directamente proporcional implica que, si una propiedad aumenta,
la otra también lo hace. El modo en que se genera esta proporcionalidad puede
ser lineal, exponencial, cúbica.
Figura 3‑3. Modelos de proporcionalidad directa lineal (derecha) y exponencial cuadrática (derecha) entre dos propiedades físicas, una independiente (x) y otra dependiente (y).
En una relación de proporcionalidad inversa, cuando la variable dependiente aumenta, la variable independiente disminuye.
Figura 3‑4. Modelos de proporcionalidad inversa lineal negativa (derecha) y
lineal inversa (derecha) entre dos propiedades físicas, una independiente (x) y
otra dependiente (y).
En el
laboratorio las propiedades se miden variando una propiedad, denominada
independiente que se gráfica en el eje x, y luego viendo cómo cambia la otra
variable cuando el sistema alcanza nuevamente su equilibrio, como esta segunda variable
no es alterada directamente por el operario, sino que cambia en función de
otra, la denominamos la variable dependiente.
Propiedades intensivas
En la mayoría de las relaciones entre
cantidades extensivas emergen constantes,
en las formas lineales a estas constantes las llamamos pendientes, las cuales
son valores constantes que indican la relación entre dos variables extensivas.
Al ser constantes, estas pendientes reciben el nombre de variables intensivas,
pues no cambian con la cantidad de sustancia. Un ejemplo de esto es la
densidad.
La
densidad del agua es de aproximadamente 1 g / ml si se considera una gota de
agua o una piscina a una temperatura y presión constantes, pero la masa es
diferente en los dos casos. Dividir una propiedad extensiva por otra propiedad
extensiva generalmente da un valor intensivo (Figura 3-5), por ejemplo: masa
(extensiva) dividida por volumen (extensiva) da densidad (intensiva). Si
graficamos la densidad como función de un cambio en la masa obtendremos una
recta horizontal propia de las propiedades intensivas.
Figura 3‑5. Diferentes formas de representar una propiedad intensiva. (Izquierda)
La densidad de una sustancia es igual a la pendiente que ocurre al graficar su
aumento de masa al aumentar su volumen a temperatura y presión constantes. (Derecha)
La densidad de una sustancia es igual a una constante sin importar que tanto
aumente o disminuye su masa.
El punto
de ebullición de una sustancia es otro ejemplo de una propiedad intensiva. Por
ejemplo, el punto de ebullición del agua es 100 °C a una presión de una
atmósfera, lo que sigue siendo cierto independientemente de la cantidad.
Figura 3‑6. Las propiedades intensivas son constantes. Al graficar una propiedad
intensiva con respecto a la masa de sustancia, obtenemos una relación constante
sin importar la cantidad de sustancia.
La
distinción entre propiedades intensivas y extensas tiene algunos usos teóricos.
Por ejemplo, en termodinámica, de acuerdo con el postulado estatal: "El
estado de un sistema compresible simple está completamente especificado por dos
propiedades independientes e intensivas". Otras propiedades intensivas se
derivan de esas dos variables.
Propiedades ni buenas ni
malas
La
posesión de una propiedad "mala", como toxicidad o un fuerte olor
nocivo, no significa que una sustancia química no tenga nada que contribuir al
mejoramiento de la sociedad humana. El gas monóxido de carbono es un ejemplo
importante de este concepto. Es de conocimiento común que el monóxido de
carbono es tóxico para los humanos y en concentraciones más altas puede causar
la muerte. Este gas, que puede estar presente en concentraciones significativas
tanto en el escape del automóvil como en el humo del cigarrillo “cualquiera”,
perjudica la salud humana al reducir la capacidad de transporte de oxígeno de
la sangre. Esto lo hace al interactuar con la hemoglobina en los glóbulos rojos
de una manera que evita que la hemoglobina distribuya oxígeno por todo el
cuerpo. Alguien que muere por envenenamiento con monóxido de carbono en
realidad muere por falta de oxígeno. Debido a su toxicidad, muchas personas
etiquetan automáticamente al monóxido de carbono como una "sustancia
mala", una sustancia que no se desea y no es necesaria.
Figura 3‑7. Algunos consideran a
Paracelso el "padre" de la toxicología porque fue el primero en
entender que ciertos venenos, administrados en pequeñas dosis, podían funcionar
óptimamente como medicamentos.
El hecho
de que el monóxido de carbono es incoloro, inodoro e insípido es muy
significativo. Debido a estas propiedades, el monóxido de carbono no avisa de
su presencia inicial. Varios otros contaminantes atmosféricos comunes son más
tóxicos que el monóxido de carbono. Sin embargo, tienen propiedades que
advierten sobre su presencia y, por lo tanto, no se consideran
"peligrosas" como el monóxido de carbono. A pesar de su toxicidad, el
monóxido de carbono juega un papel importante en el mantenimiento del alto
nivel de vida que ahora disfrutamos. Su contribución radica en el campo de la
metalurgia del hierro y la producción de acero. El aislamiento del hierro de
los minerales no férricos en sus minas, necesarios para la producción de acero,
implica una serie de reacciones a alta temperatura, llevadas a cabo en un alto
horno, en el cual el contenido de hierro de los minerales fundido reacciona con
el monóxido de carbono. Estas reacciones liberan el hierro de sus minerales que
llamamos escoria. El monóxido de carbono necesario para la fabricación de acero
se obtiene haciendo reaccionar el coque (un producto derivado del calentamiento
del carbón a alta temperatura sin presencia de aire, o de la destilación
fraccionada del petróleo) con oxígeno.
El
consumo industrial del hierro metálico, tanto en los Estados Unidos como a
nivel mundial, es aproximadamente diez veces mayor que el de todos los demás
metales combinados y generalmente este hierro se emplea para fabricar acero.
Sin acero, nuestro nivel de vida se reduciría drásticamente, y el monóxido de
carbono es necesario para la producción de acero. ¿El monóxido de carbono es
una sustancia química "buena" o "mala"? La respuesta a esta
pregunta depende del contexto en el que se encuentra el monóxido de carbono. En
términos de contaminación del aire, es una sustancia "mala". En
términos de fabricación de acero, es una sustancia "buena". Existe
una dicotomía "buena-mala" similar para casi todas las sustancias
químicas.
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