EnEn un sentido amplio, las propiedades de la materia son todas aquellas características que permiten identificar, describir, clasificar y entender cómo se comporta la materia en diferentes condiciones y contextos. Estas propiedades pueden ser observadas directamente o determinadas mediante experimentación, y son esenciales tanto para la ciencia como para la vida cotidiana. Las propiedades de la materia abarcan desde aspectos perceptibles a simple vista (como el color, el estado físico o la textura), hasta características medibles (como la masa, el volumen, la temperatura o la densidad). También incluyen comportamientos más complejos que solo se manifiestan bajo ciertas condiciones, como la capacidad de reaccionar químicamente o de conducir electricidad.
Figura
1. Las
propiedades de la materia se clasifican en extensivas e intensivas
según criterios matemáticos. Las extensivas, como masa y volumen,
dependen de la cantidad de materia y son aditivas. Las intensivas, como temperatura
y densidad, no dependen de la cantidad y se expresan como ratios
o constantes, siendo clave para identificar sustancias y aplicar modelos
físicos.
Cualitativas y cuantitativas
La distinción entre propiedades cualitativas y cuantitativas de
la materia, si bien es útil para efectos didácticos y organizativos, no es
absoluta ni tajante. Esta diferencia no radica tanto en la naturaleza
intrínseca de la propiedad en sí, sino en la posibilidad o imposibilidad de
medirla con un instrumento adecuado y expresarla mediante una unidad de medida
estandarizada.
En términos simples, una propiedad se considera cualitativa cuando
solo puede describirse mediante palabras o percepciones subjetivas, como
"caliente", "brillante", "suave" o
"ácido". Estas descripciones no tienen, por sí solas, un valor
numérico asociado. En cambio, una propiedad se considera cuantitativa cuando
se puede expresar mediante un número acompañado de una unidad, como "80 °C",
"150 gramos" o "7 en la escala de pH".
Figura
2. Los
científicos descubren leyes matemáticas que permiten cuantificar la
naturaleza, transformando propiedades cualitativas en medibles. Figuras como Galileo,
Newton y Einstein revelaron principios que impulsaron avances
tecnológicos. Este poder exige responsabilidad ética, ya que la ciencia
debe orientarse hacia un mundo sostenible y justo, usando el
conocimiento no solo para dominar, sino para mejorar la vida común.
Sin embargo, esta clasificación depende en gran medida del contexto
tecnológico y científico disponible. Muchas propiedades que tradicionalmente
se percibían como cualitativas han pasado a considerarse cuantitativas
gracias al desarrollo de instrumentos de medición y escalas de
referencia. Por ejemplo, la acidez de una sustancia se podía identificar antes
únicamente por un cambio de color en papel tornasol (una observación
cualitativa), pero hoy puede medirse con precisión mediante un potenciómetro,
expresándola como un valor numérico en la escala de pH.
Como ya se ha explicado en el capítulo de unidades y
medidas, el paso de una apreciación cualitativa a una cuantificación objetiva
requiere dos elementos clave: Un instrumento de medición confiable, que
permita comparar la propiedad observada con un patrón físico o técnico.
Una unidad de medida aceptada, que proporcione un marco común de
referencia para expresar el resultado de la medición.
En consecuencia, la frontera entre lo cualitativo y lo
cuantitativo no es fija; evoluciona con el avance del conocimiento y la
tecnología. Lo que hoy no puede medirse, mañana podría convertirse en una
variable numérica más dentro del lenguaje científico. Esta transición, lejos de
ser trivial, refleja el poder transformador de la ciencia y su capacidad para
convertir lo subjetivo en objetivo, lo impreciso en mensurable, y lo intuitivo
en conocimiento sistemático.
Propiedades cuantitativas extensivas
Las propiedades cuantitativas surgen cuando se compara una
característica de la materia con un instrumento de medida que posee una escala
basada en un patrón estándar (ver capítulo de unidades y medidas). Propiedades
como la masa, el tiempo, la longitud, el calor y el ángulo se consideran
cuantitativas cuando se miden con instrumentos como una balanza, un cronómetro,
una regla, un termómetro o un transportador. Sin embargo, estas mismas
propiedades pueden tratarse de forma cualitativa si solo se comparan entre sí
sin utilizar un patrón de medición.
Figura
3. Galileo
revolucionó la ciencia al unir observación empírica y matemáticas,
rompiendo con la tradición escolástica. Sus observaciones astronómicas con el
telescopio apoyaron el modelo heliocéntrico y refutaron el geocentrismo.
Además, formuló leyes clave sobre el movimiento, anticipando a Newton.
Su mayor legado fue establecer que la naturaleza se entiende mediante el lenguaje
matemático, base del método científico.
Según el Libro Dorado de la IUPAC, una propiedad extensiva es
una cantidad física cuya magnitud es aditiva en relación con los subsistemas.
Es decir, su valor aumenta proporcionalmente con el tamaño del sistema o la
cantidad de materia que contiene.
Por ejemplo, la masa es una propiedad extensiva: cuanto
mayor sea la cantidad de sustancia, mayor será la masa. A su vez, la cantidad
de sustancia se entiende como el número de partículas (átomos, moléculas,
iones, etc.) presentes en el sistema.
Continuidad
Las cantidades discretas son aquellas que
varían en incrementos definidos, es decir, a través de saltos discontinuos en
función de la cantidad de sustancia. En cambio, las cantidades continuas cambian
de forma gradual e infinitesimal, permitiendo variaciones suaves y sin
interrupciones.
Sin embargo, muchas veces la apariencia de discontinuidad no
es una característica intrínseca de la propiedad, sino una limitación en
nuestra capacidad de medir todos los valores posibles. Este problema ha sido
discutido desde la antigüedad por filósofos y matemáticos mediante paradojas
como la de Aquiles y la tortuga o la paradoja de Sorites, y solo se resolvió
formalmente con el desarrollo del cálculo diferencial por Isaac Newton y
Gottfried Leibniz.
En química introductoria, por simplicidad, solemos trabajar
con cantidades discretas, a las que llamamos variables de estado. Esto evita la
necesidad de introducir conceptos matemáticos avanzados como derivadas o tasas
de cambio instantáneo al inicio del curso.
Proporcionalidad
Una ley natural puede relacionar dos propiedades extensivas
de un sistema de manera directamente proporcional o inversamente proporcional.
En una relación directamente proporcional, al aumentar una
propiedad, la otra también aumenta. Esta relación puede ser lineal, cuadrática,
cúbica, exponencial, entre otras, dependiendo del fenómeno físico o químico
involucrado. En una proporcionalidad inversa, ocurre lo contrario: cuando una
variable aumenta, la otra disminuye.
En el laboratorio, este tipo de relaciones se estudian
mediante la medición experimental, donde se modifica una propiedad llamada
variable independiente (que se representa en el eje x del gráfico) y se observa
cómo responde otra propiedad, denominada variable dependiente (representada en
el eje y). Esta última no es controlada directamente, sino que cambia en
función de la variable independiente cuando el sistema alcanza un nuevo
equilibrio.3
Figura
4. Los
modelos lineales y cuadráticos describen relaciones entre propiedades físicas.
En la proporcionalidad directa lineal, la variable dependiente varía de
forma constante con la independiente. En el modelo cuadrático, la
dependiente cambia aceleradamente con el cuadrado de la independiente. Ambos
modelos son esenciales para representar fenómenos físicos y químicos mediante ecuaciones
matemáticas que permiten interpretar y predecir comportamientos.
Figura
5. Los modelos
de proporcionalidad inversa lineal negativa describen relaciones donde una propiedad
dependiente disminuye de forma lineal al aumentar una propiedad
independiente, con pendiente negativa. En cambio, los modelos
lineales inversos presentan una relación hiperbólica, en la cual una
propiedad disminuye proporcionalmente al aumentar la otra. Estas relaciones son
clave para entender sistemas físicos como presión, temperatura o velocidad..
Figura
6. Las propiedades
extensivas dependen de la cantidad de materia, como la masa y
el volumen, y son generalmente directamente proporcionales a
esta. En algunos contextos, pueden presentar relaciones inversas aparentes,
como en el caso del análisis de densidad. Comprender estas relaciones es
esencial en la termodinámica y en procesos industriales donde se
manipulan grandes volúmenes de sustancias.
Figura
7. Las propiedades
intensivas no dependen de la cantidad de sustancia y permanecen
constantes al cambiar la masa. Al graficarlas frente a la masa, muestran una relación
constante, reflejando su independencia. Son esenciales para identificar
sustancias, ya que como la densidad o la temperatura, no
varían con el tamaño del sistema, lo que permite caracterizaciones precisas y
universales.
Propiedades intensivas
En las relaciones entre propiedades extensivas,
especialmente cuando son lineales, emergen constantes que se mantienen fijas y
se conocen como pendientes. Estas constantes, que no varían con la cantidad de
sustancia, se consideran intensivas y se llaman constantes de proporcionalidad.
Se dividen en dos tipos: Constantes universales o físicas:
Independientes del tipo de sustancia, como la constante de Avogadro, que es
común a todas las sustancias. Constantes específicas o propias:
Características que varían entre sustancias, como la densidad, que es constante
para una sustancia (por ejemplo, el agua) pero diferente entre sustancias.
Estas constantes se consideran propiedades intensivas porque no dependen de la
cantidad de sustancia. Un ejemplo adicional es el punto de ebullición, que es
constante para una sustancia bajo ciertas condiciones de presión. La distinción
entre propiedades intensivas y extensivas es clave en termodinámica, donde el
estado de un sistema se describe con dos propiedades intensivas independientes.
Axiología de las propiedades químicas
La axiología es una rama de la filosofía
que estudia los valores y los juicios sobre lo bueno y lo malo, lo conveniente
y lo inconveniente. Analiza qué valoramos, por qué lo hacemos y cómo esos
valores influyen en nuestro comportamiento, nuestras decisiones y la forma en
que interpretamos el mundo.
En química, este enfoque es crucial para entender que una
propiedad considerada "mala", como la toxicidad o un olor
desagradable, no necesariamente invalida el valor o la utilidad de una
sustancia. Un ejemplo claro es el monóxido de carbono. Aunque es ampliamente
conocido por su toxicidad, lo que lo convierte en un riesgo grave para la salud
humana, esto no significa que carezca de utilidad o relevancia social.
Figura
8. Paracelso
es considerado el padre de la toxicología por afirmar que "la
dosis hace al veneno", destacando que toda sustancia puede ser curativa
o tóxica según su concentración. Este principio transformó la medicina
al introducir un enfoque cuantitativo y experimental, sentando las bases
para la farmacología moderna y la aplicación terapéutica de sustancias
previamente consideradas peligrosas.
El monóxido de carbono es un gas incoloro, inodoro
e insípido, lo que lo hace especialmente peligroso, ya que no emite
señales perceptibles que alerten sobre su presencia. En concentraciones
elevadas, interfiere gravemente con el transporte de oxígeno en la
sangre al unirse a la hemoglobina, desplazando al oxígeno e impidiendo
que esta cumpla su función vital. Como resultado, una exposición prolongada
puede provocar asfixia celular y la muerte, sin que la persona perciba
el peligro inminente.
Por esta toxicidad silenciosa, el monóxido de carbono
suele recibir una valoración negativa y se etiqueta como una "sustancia
mala". No obstante, este juicio cambia al considerar su papel en otros
contextos. En la industria siderúrgica, por ejemplo, el monóxido de
carbono es esencial para la producción de acero. Actúa como agente reductor
del mineral de hierro en los altos hornos, eliminando los
materiales no metálicos que lo rodean y permitiendo la obtención de hierro
metálico. Sin este proceso, la producción de acero a gran escala sería
técnicamente y económicamente inviable.
El monóxido de carbono empleado en este sector se genera a
partir del coque, un derivado del carbón o del petróleo,
que reacciona con el oxígeno a altas temperaturas. La magnitud de este
proceso es enorme: el consumo global de hierro y acero supera por diez
veces al de todos los demás metales combinados, reflejando su papel estructural
en la infraestructura, la tecnología y el desarrollo económico.
¿Es entonces el monóxido de carbono "bueno" o "malo"? La
respuesta depende del contexto. Como contaminante, es una amenaza seria; como
reactivo industrial, es indispensable. Esta ambigüedad ilustra una verdad
fundamental de la química: el valor de una sustancia depende de su uso,
su entorno y su dosificación, más que de una moralidad intrínseca.
Referencias bibliográficas
- Brown,
T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., & Lancaster, M. (2022).
Chemistry: The central science (15th ed.). Pearson.
- Chang,
R. (2021). Chemistry: The central science (14th ed.). Pearson.
- Grell,
O. P., Cunningham, A., & Arrizabalaga, J. (Eds.). (2018). It All
Depends on the Dose: Poisons and Medicines in European History. Routledge.
- IUPAC.
(2007). Gold book: IUPAC compendium of chemical terminology (2nd ed.).
Blackwell Science. https://doi.org/10.1002/9780470842891
- Milles,
D. (1999). History of toxicology. In Toxicology (pp. 11-23). Academic
Press.
- Seager,
S. (2022). Chemistry for today: General, organic, and biochemistry (10th
ed.). Cengage Learning.
- Tsatsakis, A. M., Vassilopoulou, L., Kovatsi, L., Tsitsimpikou, C., Karamanou, M., Leon, G., ... & Spandidos, D. A. (2018). The dose response principle from philosophy to modern toxicology: the impact of ancient philosophy and medicine in modern toxicology science. Toxicology reports, 5, 1107-1113.
No hay comentarios:
Publicar un comentario