Propiedades de las sustancias simples
Lo que vas a aprender
- Calcular la densidad de una muestra a partir de su masa y su volumen, y usarla para identificar un metal de una tabla.
- Decidir el estado de una sustancia simple a una temperatura dada comparándola con sus temperaturas de fusión y de ebullición.
- Ordenar y comparar los valores de una tabla de propiedades.
- Describir cómo varían la densidad y las temperaturas de fusión y de ebullición entre metales, no metales, metaloides y gases nobles.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Imagina que alguien te ofrece una pulsera «de oro» a muy buen precio. ¿Cómo saber si es verdad sin dañarla? Una forma es medir su masa y su volumen y calcular su densidad: es una pista muy útil para reconocer una sustancia, aunque a veces hay que combinarla con otras propiedades, porque dos materiales pueden tener densidades parecidas. Algo parecido pasa con las temperaturas a las que una sustancia se funde o hierve: sirven para reconocerla y para saber si, a cierta temperatura, estará sólida, líquida o gaseosa.
En esta lección vas a usar una tabla de valores reales para identificar sustancias y vas a descubrir que esas propiedades cambian de una familia de la tabla periódica a otra.
Antes de empezar recuerda que la densidad se calcula dividiendo la masa entre el volumen, y que la fusión es el paso de sólido a líquido y la ebullición, de líquido a gas.
Explicación
Sustancias simples
Una sustancia simple está formada por átomos de un solo elemento. Un clavo de hierro, una lámina de aluminio, un trozo de azufre y el oxígeno del aire son sustancias simples. En la lección anterior viste que los elementos se agrupan en metales, no metales, metaloides y gases nobles. Ahora vas a ver que esas familias también se distinguen por números: cuánta masa tienen en cada centímetro cúbico y a qué temperatura cambian de estado.
La tabla de propiedades
Esta tabla reúne valores redondeados de once sustancias simples. Las temperaturas son las de fusión y ebullición a la presión del nivel del mar. Las densidades de los sólidos y del líquido son a temperatura ambiente; las de los gases, a 0 °C.
| Sustancia | Familia | Densidad (g/cm³) | Fusión (°C) | Ebullición (°C) |
|---|---|---|---|---|
| Sodio (Na) | metal | 0,97 | 98 | 883 |
| Aluminio (Al) | metal | 2,70 | 660 | 2519 |
| Hierro (Fe) | metal | 7,87 | 1538 | 2861 |
| Mercurio (Hg) | metal | 13,5 | −39 | 357 |
| Oro (Au) | metal | 19,3 | 1064 | 2856 |
| Silicio (Si) | metaloide | 2,33 | 1414 | 3265 |
| Azufre (S) | no metal | 2,07 | 115 | 445 |
| Oxígeno (O₂) | no metal | 0,0014 | −219 | −183 |
| Helio (He) | gas noble | 0,0002 | no se solidifica | −269 |
| Neón (Ne) | gas noble | 0,0009 | −249 | −246 |
| Argón (Ar) | gas noble | 0,0018 | −189 | −186 |
Cómo cambian las propiedades de una familia a otra
Metales. Casi todos son densos y se funden a temperaturas altas: el hierro necesita más de mil quinientos grados. Hay excepciones que conviene conocer. El sodio y los demás metales del grupo 1 son blandos, livianos y se funden con poco calor. El mercurio es líquido a temperatura ambiente, aunque es muy denso.
No metales. Los que son sólidos, como el azufre, tienen densidades bajas y se funden a temperaturas mucho menores que la mayoría de los metales. Otros, como el oxígeno, son gases: hierven muy por debajo de cero, y por eso a temperatura ambiente ya están en estado gaseoso.
Metaloides. El silicio muestra su lado doble también en los números: se funde a una temperatura altísima, como un metal, pero su densidad (2,33 g/cm³) se parece a la del azufre (2,07 g/cm³) y es mucho menor que la del hierro, el mercurio o el oro.
Gases nobles. Tienen las temperaturas de ebullición más bajas de la tabla, y el helio y el neón también las de fusión más bajas; el argón, en cambio, se funde a −189 °C, por encima de los −219 °C del oxígeno. Como casi no se atraen entre sí, hay que enfriarlos muchísimo para volverlos líquidos. El helio es el récord: a la presión del nivel del mar no se vuelve sólido aunque se enfríe todo lo posible. Fíjate además en una variación dentro del grupo: al bajar en la columna, del helio al neón y luego al argón, la temperatura de ebullición sube.
Sólido, líquido o gas
Para saber el estado de una sustancia a una temperatura, compárala con sus dos temperaturas de cambio:
- si la temperatura está por debajo de la fusión, la sustancia es sólida;
- si está entre la fusión y la ebullición, es líquida;
- si está por encima de la ebullición, es un gas.
En una ciudad alta como Bogotá, la presión del aire es menor y las sustancias hierven a temperaturas un poco más bajas que las de la tabla; para comparar sustancias entre sí, la tabla sirve igual.
Densidades de las sustancias sólidas y líquidas de la tabla, en g/cm³. Azul: metales; rojo: no metal; verde: metaloide.
Ejemplo resuelto
¿De qué metal es la muestra?
Una muestra de un metal de la tabla tiene una masa de 54 g y ocupa un volumen de 20 cm³. ¿De qué metal es?
Ver la solución paso a paso
La densidad es la masa dividida entre el volumen, en g/cm³:
$$\frac{54}{20}$$
$2{,}7$
Buscamos ese valor en la columna de densidades. Ordenadas de menor a mayor, las once densidades de la tabla son:
$$0{,}0002 < 0{,}0009 < 0{,}0014 < 0{,}0018 < 0{,}97 < 2{,}07 < 2{,}33 < 2{,}70 < 7{,}87 < 13{,}5 < 19{,}3$$
El valor 2,7 coincide con el del aluminio:
$$\frac{54}{20} = 2{,}70$$
Respuesta: Su densidad es 2,7 g/cm³: la muestra es de aluminio.
Ejemplo resuelto
¿Una pulsera de oro?
Una pulsera que venden como «de oro» tiene una masa de 31,48 g y un volumen de 4 cm³. ¿Es de oro?
Ver la solución paso a paso
Calculamos su densidad:
$$\frac{31{,}48}{4}$$
$7{,}87$
La densidad del oro es mucho mayor:
$$\frac{31{,}48}{4} < 19{,}3$$
Y el valor coincide exactamente con el del hierro de la tabla:
$$\frac{31{,}48}{4} = 7{,}87$$
Otra manera de verlo: una pulsera de oro con el mismo volumen tendría una masa de densidad · volumen:
$$19{,}3 \cdot 4$$
$77{,}2$
Respuesta: No es de oro: su densidad es 7,87 g/cm³, la del hierro. De oro, la misma pulsera tendría 77,2 g.
Ejemplo resuelto
Ordenar por temperatura de fusión y de ebullición
Ordena las sustancias de la tabla por su temperatura de fusión y luego por su temperatura de ebullición. ¿Qué familias quedan en cada extremo?
Ver la solución paso a paso
Las temperaturas de fusión, de menor a mayor (el helio no entra porque no se solidifica): neón, oxígeno, argón, mercurio, sodio, azufre, aluminio, oro, silicio y hierro.
$$-249 < -219 < -189 < -39 < 98 < 115 < 660 < 1064 < 1414 < 1538$$
Las temperaturas de ebullición, de menor a mayor: helio, neón, argón, oxígeno, mercurio, azufre, sodio, aluminio, oro, hierro y silicio.
$$-269 < -246 < -186 < -183 < 357 < 445 < 883 < 2519 < 2856 < 2861 < 3265$$
En el extremo bajo de las dos listas están los gases nobles y el oxígeno. En el extremo alto, los metales densos y el silicio. Entre los gases nobles, la ebullición sube al bajar en el grupo:
$$-269 < -246 < -186$$
Respuesta: Las ebulliciones más bajas son las de los gases nobles (el helio hierve a −269 °C); en la fusión, el oxígeno (−219 °C) queda entre el neón y el argón. Las más altas son las de los metales como el hierro (se funde a 1538 °C) y las del silicio.
Ejemplo resuelto
¿Sólido, líquido o gas a 25 °C?
Un día de calor, la temperatura es de 25 °C. ¿En qué estado están el hierro, el mercurio y el oxígeno?
Ver la solución paso a paso
El hierro se funde a 1538 °C. A 25 °C todavía no ha llegado a su fusión: es sólido.
$$25 < 1538$$
El mercurio se funde a −39 °C y hierve a 357 °C. Los 25 °C quedan entre las dos: es líquido.
$$-39 < 25 < 357$$
El oxígeno hierve a −183 °C. A 25 °C ya pasó su ebullición hace rato: es un gas.
$$-183 < 25$$
Respuesta: A 25 °C, el hierro es sólido, el mercurio es líquido y el oxígeno es un gas.
Práctica
Una muestra de un metal de la tabla tiene una masa de 81 g y un volumen de 30 cm³. ¿Cuál es su densidad, en g/cm³?
81 ÷ 30 = 2,7 g/cm³, la densidad del aluminio.
Un trozo de metal de 39,35 g ocupa 5 cm³. ¿Cuál es su densidad, en g/cm³?
39,35 ÷ 5 = 7,87 g/cm³. Según la tabla, es hierro.
Una moneda de 96,5 g tiene un volumen de 5 cm³. ¿Cuál es su densidad, en g/cm³?
96,5 ÷ 5 = 19,3 g/cm³: coincide con el oro de la tabla.
El oro tiene una densidad de 19,3 g/cm³ y el aluminio, de 2,7 g/cm³. ¿Cuántas veces más denso es el oro? Redondea a la unidad.
19,3 ÷ 2,7 ≈ 7,1. Un centímetro cúbico de oro tiene unas siete veces la masa de uno de aluminio.
El mercurio se funde a −39 °C y hierve a 357 °C. ¿Cuántos grados hay entre esas dos temperaturas?
357 − (−39) = 357 + 39 = 396 °C. Restar 357 − 39 = 318 es olvidar que la fusión está por debajo de cero.
¿Verdadero o falso? El azufre se funde a 115 °C, así que un trozo de azufre se derrite si se calienta en agua hirviendo a 100 °C.
El agua hirviendo está a 100 °C, por debajo de los 115 °C que necesita el azufre: sigue sólido.
¿Verdadero o falso? El argón se funde a −189 °C y hierve a −186 °C, así que a −188 °C es líquido.
−188 °C está entre la fusión (−189 °C) y la ebullición (−186 °C): el argón es líquido solo en una franja de tres grados.
Según la tabla, ¿qué familia tiene las temperaturas de ebullición más bajas?
El helio, el neón y el argón hierven más abajo que cualquier otra sustancia de la tabla; el oxígeno, un no metal, viene justo después.
¿Por qué se dice que el silicio tiene propiedades intermedias entre las de los metales y las de los no metales?
Su fusión (1414 °C) está entre las de los metales más resistentes al calor, y su densidad (2,33 g/cm³) se parece a la del azufre.
Reto
Une cada masa ÷ volumen con la densidad de la tabla.
Divide la masa (g) entre el volumen (cm³) y busca la densidad que da.
Reto
¿Cuál no es como las demás?
Ronda 1: cada tarjeta es la temperatura de fusión menos 25 °C; si da positivo, a 25 °C la sustancia sigue sólida. Ronda 2: la de ebullición menos 25 °C; si da negativo, a 25 °C ya es gas. Ronda 3: densidades en g/cm³, comparadas con la del agua, que es 1.
Cierre
En resumen
Una sustancia simple está formada por átomos de un solo elemento.
La densidad es masa entre volumen, y es una buena pista para reconocer un metal, aunque a veces hay que sumarle otras propiedades.
Casi todos los metales son densos y se funden a temperaturas altas; el sodio y el mercurio son excepciones.
Los no metales sólidos son poco densos y se funden con menos calor; varios no metales son gases.
Los gases nobles tienen las temperaturas de ebullición más bajas (el argón se funde por encima del oxígeno), y su ebullición sube al bajar en el grupo.
Vocabulario
- Sustancia simple
Sustancia formada por átomos de un solo elemento, sueltos o unidos en moléculas, como el hierro (Fe) o el oxígeno (O₂).
- Densidad
La masa que hay en cada unidad de volumen: masa dividida entre volumen. Aquí se mide en g/cm³.
- Temperatura de fusión
La temperatura a la que una sustancia pasa de sólido a líquido.
- Temperatura de ebullición
La temperatura a la que una sustancia hierve y pasa de líquido a gas.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Plantee el caso de la pulsera «de oro» y pregunte cómo lo comprobarían sin dañarla.
- Explicación · 15 min — Lectura guiada de la tabla; resuelva en el tablero la muestra de aluminio y la pulsera, y luego la regla de sólido, líquido o gas.
- Práctica · 15 min — Preguntas en parejas con calculadora; el dominó y el intruso se pueden proyectar.
- Cierre · 5 min — Cada pareja enuncia una tendencia de la tabla con dos valores que la respalden.
Preguntas para el salón
- ¿Por qué el mercurio sirve para los termómetros antiguos y el hierro no?
- Si una sustancia se funde a −100 °C y hierve a −50 °C, ¿en qué estado está en el salón?
- ¿Qué ventaja tiene usar la densidad, y no el color, para reconocer un metal?
Errores típicos
- Restar mal con temperaturas bajo cero (357 − 39 en vez de 357 + 39). Dibuje un termómetro vertical y cuente los grados desde −39 hasta 0 y desde 0 hasta 357.
- Dividir el volumen entre la masa al calcular la densidad. Recuerde las unidades: g/cm³ dice «gramos entre centímetros cúbicos».
- Creer que todos los metales son sólidos y pesados. Contraste el mercurio (líquido) y el sodio (liviano y blando) con el hierro.
Tarea sugerida
Con ayuda de un adulto, pesar en una gramera de cocina un puñado de tornillos o tuercas, tantos como para que el agua de un vaso medidor suba por lo menos 50 mL al echarlos; con esa subida (1 mL = 1 cm³) calcular su densidad y compararla con la tabla. Explicar por qué sale cerca del hierro y no igual: los tornillos son de acero, que es casi todo hierro.