Figura. Balanza de Arquímedes

La balanza de Arquímedes es un instrumento fundamental en la historia de la ciencia, que aplica el principio de flotación para determinar la densidad de un cuerpo de manera indirecta. Su invención se atribuye a Arquímedes de Siracusa, quien utilizó este principio para resolver problemas prácticos como la verificación de la pureza de metales preciosos, incluyendo la famosa historia de la corona del rey Hieron.

El funcionamiento de la balanza se basa en una palanca equilibrada sobre un punto de apoyo, con un objeto suspendido en uno de los extremos mediante un gancho. Primero se determina el peso del objeto en el aire, y luego se sumerge completamente en un líquido, generalmente agua. En ese momento, el objeto sufre una fuerza de empuje hacia arriba, que reduce su peso aparente. Esta fuerza es igual al peso del volumen de líquido desplazado, tal como enuncia el principio de Arquímedes.

La diferencia entre el peso en el aire y el peso en el líquido permite calcular el volumen del objeto. Si se conoce el peso y el volumen, se puede hallar la densidad dividiendo la masa entre el volumen. Este procedimiento revolucionó la física experimental, sentando bases para la metrología y la caracterización de materiales. La balanza de Arquímedes no solo demuestra una profunda comprensión del comportamiento de los cuerpos en los fluidos, sino que también ejemplifica la capacidad de la ciencia para resolver problemas mediante la observación y la experimentación sistemática, combinando principios mecánicos, hidrostáticos y matemáticos en un mismo instrumento.

Figura. Propiedades de la materia.

La clasificación de las propiedades de la materia se fundamenta en criterios cuantitativos que permiten distinguir cómo varían las características físicas de una sustancia según su cantidad. Esta clasificación es esencial para describir y modelar fenómenos físicos y químicos en términos precisos. Las propiedades extensivas son aquellas que dependen directamente de la cantidad de materia presente en un sistema. Ejemplos comunes incluyen la masa, el volumen, la energía interna y la entropía. Estas propiedades se suman cuando se combinan dos o más sistemas: por ejemplo, si dos bloques tienen una masa de 2 kg y 3 kg respectivamente, el sistema resultante tiene una masa total de 5 kg. Este comportamiento se describe matemáticamente como una propiedad aditiva, lo que implica que su valor total es igual a la suma de los valores de sus partes.

En contraste, las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de materia y, por tanto, se mantienen constantes sin importar el tamaño del sistema. Ejemplos clave son la densidad, la temperatura, la presión y la concentración. Por ejemplo, si dividimos un litro de agua a 25 °C en dos mitades, ambas mitades conservarán esa misma temperatura. Matemáticamente, las propiedades intensivas suelen expresarse como razones entre dos propiedades extensivas (como la densidad, que es masa entre volumen), o como constantes características del sistema. Esta independencia del tamaño hace que las propiedades intensivas sean cruciales para identificar sustancias y caracterizar sistemas en equilibrio.

El análisis matemático de estas propiedades permite aplicar modelos termodinámicos y químicos con mayor rigor. En términos formales, si una propiedad se comporta de manera proporcional con el tamaño del sistema, se clasifica como extensiva; si no cambia con la escala, es intensiva. Esta distinción es fundamental en la formulación de leyes físicas, en el diseño experimental y en el desarrollo de tecnologías basadas en el comportamiento de materiales. La comprensión de propiedades aditivas y de relaciones intensivas es clave para interpretar sistemas complejos como mezclas, soluciones o reacciones químicas, donde la precisión en la medición y la interpretación matemática de las variables es indispensable

Figura. Geofagia

El loro harinoso (Amazona farinosa), también conocido como loro corona azul, es una de las especies más grandes del género Amazona, y habita en las densas selvas tropicales de América Central y Sudamérica, especialmente en la región de la Amazonía. Reconocible por su plumaje verde con una leve tonalidad blanquecina que le da el nombre de "harinoso", este loro no solo destaca por su tamaño y vocalización, sino también por su interesante comportamiento alimenticio, particularmente su consumo de arcilla en formaciones naturales conocidas como collpas.

Las collpas son acantilados ricos en minerales, donde estas aves se congregan para ingerir tierra arcillosa, una conducta conocida como geofagia. Este comportamiento tiene múltiples funciones bioquímicas. En primer lugar, les permite incorporar elementos inorgánicos esenciales como sodio, calcio y magnesio, nutrientes que a menudo son escasos en su dieta a base de frutas, semillas y flores. En segundo lugar, la arcilla actúa como agente desintoxicante, ya que neutraliza compuestos tóxicos presentes en algunas de las plantas que consume. Esto resalta cómo incluso animales silvestres dependen de sustancias químicas inorgánicas para mantener su salud y equilibrio fisiológico.

El caso del Amazona farinosa es un claro ejemplo de que lo químico no es antinatural, sino parte esencial de los procesos biológicos que sustentan la vida. Al observar cómo esta especie busca activamente compuestos inorgánicos para complementar su nutrición y contrarrestar toxinas, se desmonta la falsa oposición entre lo "natural" y lo "químico". Este loro demuestra que la química, lejos de ser un invento artificial, es inherente a la ecología y al comportamiento animal, y por tanto, comprenderla es clave para valorar y proteger la biodiversidad.

Figura. Cambios de fase.

Los cambios de fase a presión constante son procesos fundamentales en la termodinámica, y se representan comúnmente en gráficas que relacionan la energía con la temperatura del sistema. Estas gráficas permiten visualizar cómo evoluciona un material a medida que se le añade o extrae energía. Durante una transición de fase, como la fusión (paso de sólido a líquido) o la ebullición (paso de líquido a gas), la temperatura permanece constante aunque se siga suministrando energía. Este comportamiento refleja un principio esencial: la energía no se emplea en calentar el sistema, sino en romper los enlaces intermoleculares que mantienen la fase anterior.

Este fenómeno es conocido como calor latente y es clave para entender por qué, por ejemplo, el hielo se derrite a 0 °C sin que aumente la temperatura hasta que todo el hielo se haya convertido en agua. La energía absorbida durante este proceso sirve para superar las fuerzas de cohesión entre las moléculas del sólido. Del mismo modo, al hervir agua a 100 °C, el sistema necesita seguir absorbiendo energía para que las moléculas del líquido superen la tensión superficial y pasen a estado gaseoso. Solo una vez que se completa la transición de fase, la temperatura comienza a subir de nuevo si se continúa aplicando energía.

Además de las fases clásicas, existen mesofases, que son estados intermedios entre fases convencionales, como los cristales líquidos. En estos estados, aunque se siga suministrando energía, la temperatura se mantiene constante hasta que se alcanza una nueva organización estructural. Este comportamiento es común en materiales complejos y es fundamental en tecnologías como las pantallas LCD. Comprender estos procesos es esencial en química física, ya que permite predecir y controlar el comportamiento térmico de sustancias en múltiples contextos industriales y naturales.

Figura. Cambios de estado.

En química general, se suelen estudiar principalmente tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso, ya que son los más comunes y fácilmente observables en condiciones ambientales normales. Estos estados se diferencian por la forma en que las partículas que los componen —átomos o moléculas— están organizadas y por el grado de energía cinética que poseen. En los sólidos, las partículas están fuertemente unidas; en los líquidos, tienen movilidad limitada; y en los gases, se mueven libremente y ocupan todo el volumen disponible. Sin embargo, esta clasificación tradicional no agota la diversidad de formas en que puede manifestarse la materia.

Uno de los estados más fascinantes y menos tratados en química general es el plasma, que en realidad es el más abundante en el universo. Se encuentra en las estrellas, incluidos el Sol y otras fuentes de luz cósmica. En el plasma, los átomos están tan excitados que los electrones se separan de los núcleos atómicos, generando una mezcla de iones positivos y electrones libres. Este estado ionizado le confiere propiedades únicas, como la capacidad de emitir luz, conducir electricidad y responder a campos electromagnéticos. Aunque poco común en la vida cotidiana, lo encontramos también en tecnologías como pantallas de plasma, tubos fluorescentes y reactores de fusión.

Más allá del plasma, existen estados de la materia aún más exóticos, como los superfluidos y los condensados de Bose-Einstein, que emergen en condiciones extremas de baja temperatura y alta densidad. Estos estados presentan comportamientos cuánticos extraordinarios: los superfluidos pueden fluir sin fricción, mientras que los condensados de Bose-Einstein agrupan partículas en un único estado cuántico colectivo, actuando como una “súper partícula”. Su estudio abre puertas a nuevas fronteras en la física y la química moderna.

Figura. Estado de plasma

El plasma es un estado de la materia que comparte ciertas similitudes con los gases, especialmente a muy baja presión, pero presenta propiedades únicas que lo distinguen claramente. A diferencia de los gases comunes, el plasma emite radiación en forma de luz, debido a la alta energía de las partículas que lo constituyen. Este brillo característico se debe al hecho de que los átomos en el plasma están en un estado de excitación extrema, lo que provoca que los electrones se separen de los núcleos atómicos, dando lugar a una mezcla de iones positivos y electrones libres.

Este proceso de ionización es clave para entender el comportamiento del plasma. Gracias a la presencia de partículas cargadas, el plasma puede conducir electricidad, lo que no ocurre en gases neutros bajo condiciones normales. Además, el plasma responde activamente a campos electromagnéticos, permitiendo su manipulación en entornos controlados, como en dispositivos tecnológicos o reactores de fusión. Este comportamiento lo convierte en un medio ideal para aplicaciones que requieren interacción con campos eléctricos y magnéticos, como en el confinamiento del plasma en la fusión nuclear controlada o en la fabricación de materiales mediante procesos de deposición por plasma.

Los ejemplos naturales y artificiales de plasma son abundantes y sorprendentes. En el universo, las estrellas —incluido nuestro Sol— están formadas casi por completo de plasma, lo que las convierte en laboratorios naturales de física extrema. En la Tierra, los rayos que vemos durante una tormenta son manifestaciones visibles de plasma. A nivel tecnológico, algunos tipos de pantallas de televisión y luces fluorescentes también utilizan este estado de la materia, aprovechando su capacidad para emitir luz de forma eficiente. Así, el plasma no solo es fundamental para entender el cosmos, sino también para desarrollar tecnologías avanzadas en nuestro mundo cotidiano.

Figura. Estado gaseoso

Los gases, a diferencia de los sólidos y líquidos, son casi invisibles al ojo humano. Su presencia se percibe únicamente a través de sus efectos en el entorno, como el movimiento de hojas o la sensación del viento sobre la piel. Esta cualidad los hace difíciles de representar visualmente, ya que carecen de forma definida y sus partículas están muy separadas entre sí. Lo que a veces se confunde con un gas, como en el caso de un aerosol o niebla, es en realidad un coloide, un sistema disperso formado por partículas suficientemente grandes como para dispersar la luz mediante el efecto Tyndall, haciéndose visibles. Aunque no son gases, estos coloides nos dan una idea parcial del comportamiento fluido característico de los gases.

La representación científica de los gases no fue sencilla en la historia del pensamiento humano. En la antigua Grecia, los filósofos debatían sobre la naturaleza de la materia, y algunos como Demócrito propusieron la existencia de átomos, entidades indivisibles que se movían libremente en el vacío. Esta noción filosófica se acercaba a una descripción de los gases, pero carecía de evidencia experimental. No fue sino hasta muchos siglos después que los científicos comenzaron a estudiar los gases de manera sistemática, utilizando métodos cuantificables y observables.

Con el desarrollo del método científico, investigadores como Robert Boyle, Jacques Charles y Amedeo Avogadro realizaron experimentos clave que permitieron entender mejor las propiedades físicas de los gases, como la presión, el volumen y la temperatura. Estas investigaciones fueron fundamentales para formular las leyes de los gases, que explican su comportamiento en distintas condiciones. Gracias a estos avances, el estado gaseoso dejó de ser una abstracción filosófica y se consolidó como un campo esencial en la ciencia moderna, base de disciplinas como la termodinámica, la química física y la meteorología.

Figura. Fusión de los metales

Los metales, como todos los materiales, pueden cambiar de estado físico al variar la temperatura del sistema, específicamente al pasar del estado sólido al líquido mediante el proceso de fusión. Este cambio ocurre cuando el metal alcanza su punto de fusión, es decir, la temperatura a la cual las partículas del sólido adquieren suficiente energía para superar las fuerzas de atracción que las mantienen unidas. Aunque muchos metales son altamente estables en su forma sólida, el aumento de temperatura puede provocar esta transición de fase, transformando el material en un líquido metálico con propiedades muy distintas.

Existen metales cuyos puntos de fusión son excepcionalmente bajos, lo que los hace particularmente interesantes para ciertas aplicaciones tecnológicas. El mercurio, por ejemplo, es único entre los metales comunes por ser líquido a temperatura ambiente, con un punto de fusión de aproximadamente –39 °C. Esta característica lo ha hecho útil en dispositivos como termómetros, barómetros y otros instrumentos de medición sensibles a cambios térmicos. Por otro lado, el germanio, aunque más sólido bajo condiciones normales, tiene un punto de fusión relativamente bajo para un metal, alrededor de 938 °C, lo que facilita su uso en procesos industriales que requieren precisión térmica sin alcanzar temperaturas extremas.

La capacidad de ciertos metales de fundirse a temperaturas moderadas permite diseñar materiales y tecnologías que dependan de un cambio rápido entre estados físicos, como en la soldadura, metalurgia de precisión, semiconductores o sistemas de transferencia térmica. Estos comportamientos dependen no solo de la composición del metal, sino también de su estructura cristalina, enlaces atómicos y del entorno donde se encuentra. Así, comprender los puntos de fusión y el comportamiento térmico de los metales resulta fundamental para su aprovechamiento en la ciencia y la ingeniería moderna.

Figura. Cristales

El estado sólido de la materia puede presentarse en diversas formas estructurales, siendo las más representativas los cristales, los metales y las estructuras amorfas. Cada una de estas manifestaciones posee características propias determinadas por la disposición interna de sus átomos o moléculas. En los cristales, los átomos están organizados de manera ordenada y repetitiva a lo largo de todo el material, lo que se traduce en una estructura geométrica definida. Esta regularidad permite la aparición de propiedades como la simetría, la rigidez mecánica y, en algunos casos, la capacidad de formar caras planas y ángulos constantes, como ocurre en los cristales de sal o cuarzo.

Los metales, aunque también presentan un orden atómico, tienen una configuración distinta. Sus átomos están dispuestos en una red compacta y uniforme, pero lo más distintivo es la existencia de una "nube" de electrones deslocalizados, que se mueven libremente a través del material. Esta característica es la base de su alta conductividad eléctrica y térmica, así como de su maleabilidad y ductilidad. A diferencia de los cristales más rígidos, los metales pueden deformarse sin romperse, lo que los hace indispensables en la industria y la construcción.

Por otro lado, las estructuras amorfas, como el vidrio, carecen de ese ordenamiento atómico a largo plazo. Aunque pueden tener cierto orden local entre átomos vecinos, su estructura general es irregular y desorganizada, lo cual se refleja en sus propiedades físicas. Esta falta de simetría les confiere una mayor flexibilidad frente a impactos o deformaciones y les permite adoptar formas diversas durante su fabricación. A diferencia de los cristales, los sólidos amorfos no presentan puntos de fusión definidos, sino que se ablandan gradualmente al calentarse. Esto los convierte en materiales versátiles y ampliamente utilizados en campos como la óptica, la electrónica y la arquitectura.

Ejercicios resueltos de química. Análisis dimensional. Chang 10ed. Ejercicio 1.50.b

[Ejercicios resueltos de análisis dimensional]

Convertir 4,5 mil millones de años (aproximadamente la edad de la Tierra) a segundos (asume 365 días por año)

Por factor de conversión

Por sustitución algebraica

Podemos convertir mil millones por sus notaciones científicas sin resolverlas explícitamente como 10³ x 10⁶.

Etapa aritmética manual

Como acertamos al orden de magnitud y nos desviamos solo en la última cifra significativa, podemos informar que el dato manual es consistente con los obtenidos por calculadora.

Referencias

Chang, R., & Overby, J. (2010). Chemistry (10th ed., AP Edition). McGraw Hill.

García, J. L. G. (2025). Dimensional Analysis in Chemistry Textbooks 1900-2020 and an Algebraic Alternative. Educación Química, 36(1), 82-108.

Ejercicios resueltos de química. Análisis prefijos decimales y notación científica. Chang 10ed. Ejercicio 1.50.a

 [Ejercicios resueltos de análisis dimensional con prefijosdecimales]

Convertir 185 nm a metros

Etapa analítica

Teniendo en cuenta las [Tablas de prefijos decimales]

Por factor de conversión

Por sustitución algebraica

Referencias

Chang, R., & Overby, J. (2010). Chemistry (10th ed., AP Edition). McGraw Hill.

García, J. L. G. (2025). Dimensional Analysis in Chemistry Textbooks 1900-2020 and an Algebraic Alternative. Educación Química, 36(1), 82-108.

Ejercicios resueltos de química. Análisis prefijos decimales y notación científica. Chang 10ed. Ejercicio 1.50.c

[Ejercicios resueltos de análisis dimensional con prefijosdecimales]

Convertir 71,2 cm³ a m³

Etapa analítica

Teniendo en cuenta las [Tablas de prefijos decimales]

Evaluamos la relación de cubos desde la forma lineal (1 m = 10² cm)³ → 1 m³ =10⁶ cm³

Por factor de conversión

Por sustitución algebraica

Referencias

Chang, R., & Overby, J. (2010). Chemistry (10th ed., AP Edition). McGraw Hill.

García, J. L. G. (2025). Dimensional Analysis in Chemistry Textbooks 1900-2020 and an Algebraic Alternative. Educación Química, 36(1), 82-108.