Fundamentos Esenciales de Química y Propiedades de Materiales: Conceptos y Aplicaciones

PREGUNTA 1. Explica brevemente qué es un concepto clasificatorio y a qué llamamos clasificación, pon ejemplos. (1.5)

Un concepto clasificatorio es aquel que busca agrupar objetos o sucesos utilizando características que tienen en común. Los conceptos clasificatorios (o los objetos de un conjunto) se pueden ordenar en clasificaciones.

Una clasificación es una partición de un conjunto. Esto significa que se establecen subconjuntos, llamados clases, de manera que ninguna clase quede vacía, y que cada elemento u objeto pertenezca a una clase y solo a una. Una clasificación debe ser útil para la ciencia.

Ejemplo: La clasificación de los seres vivos en reinos (Animalia, Plantae, Fungi, etc.) se basa en características comunes como la estructura celular, modo de nutrición, etc.

Explica por qué la tabla periódica es una clasificación de los átomos.

El Sistema Periódico es una tabla donde se encuentran clasificados todos los elementos químicos según un orden creciente de sus números atómicos. Las filas se llaman períodos y las columnas se denominan grupos. Los elementos en el mismo grupo comparten propiedades químicas similares debido a su configuración electrónica similar.

La primera tabla periódica significativa se le atribuye al químico ruso Dimitri Mendeléyev en 1869.

¿Cómo se denomina cada clase de átomo?

Existen diferentes formas de clasificar los átomos según sus partículas subatómicas:

• Isótopos: Átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones (mismo número atómico, Z) pero diferente número de neutrones. Por lo tanto, tienen distinto número másico (A). Poseen las mismas propiedades químicas. Ejemplo: Carbono-12 (¹²C) y Carbono-14 (¹⁴C).
• Isótonos: Átomos que tienen el mismo número de neutrones pero diferente número de protones (y por tanto, son de elementos diferentes). Ejemplo: ¹⁴C (6 protones, 8 neutrones) y ¹⁵N (7 protones, 8 neutrones).
• Isóbaros: Átomos de diferentes elementos que tienen el mismo número másico (A), es decir, la misma suma de protones y neutrones. Ejemplo: ⁴⁰Ar (18 protones, 22 neutrones) y ⁴⁰Ca (20 protones, 20 neutrones).

¿Qué tienen en común todos los átomos que pertenecen a una misma clase (isótopos del mismo elemento)?

Todos los isótopos de un mismo elemento tienen en común el número de protones (número atómico, Z). Esto define al elemento químico y sus propiedades químicas fundamentales. Aunque el número de neutrones varía entre isótopos, el número de protones es constante.

PREGUNTA 2. ¿En qué se diferencian un proceso o cambio químico y un proceso o cambio físico? Pon ejemplos. (0.5)

Un cambio físico es una transformación en la que no varía la naturaleza de la materia; es decir, las sustancias originales siguen siendo las mismas, aunque su forma, estado de agregación o apariencia puedan cambiar.

Un cambio químico es una transformación en la que varía la naturaleza de la materia; es decir, las sustancias originales se transforman en sustancias nuevas con propiedades diferentes.

Ejemplos:

• Cambios físicos: Los cambios de estado (fusión del hielo, evaporación del agua), disolver azúcar en agua, cortar un papel.
• Cambios químicos: La combustión de la madera, la oxidación de un metal, la digestión de los alimentos.

PREGUNTA 3. Calcula la masa saturada de una porción de un material cuya masa seca es de 15 kg, sabiendo las siguientes características del material: densidad aparente 1300 kg/m³; densidad real 1500 kg/m³; volumen de huecos inaccesibles 0.5 dm³. (1)

Datos:

• Masa seca (M_s) = 15 kg
• Densidad aparente (ρ_ap) = 1300 kg/m³ = 1.3 kg/dm³
• Densidad real (ρ_r) = 1500 kg/m³ = 1.5 kg/dm³
• Volumen de huecos inaccesibles (V_{h_inacc} o V_h”) = 0.5 dm³
• Densidad del agua (ρ_agua) ≈ 1000 kg/m³ = 1 kg/dm³ (asumida para el cálculo)

Cálculos:

1. Volumen aparente (V_ap):
   ρ_ap = M_s / V_ap => V_ap = M_s / ρ_ap = 15 kg / 1.3 kg/dm³ = 11.538 dm³ (aprox.)
2. Volumen real (de sólidos, V_r o V_s):
   ρ_r = M_s / V_r => V_r = M_s / ρ_r = 15 kg / 1.5 kg/dm³ = 10 dm³
3. Volumen total de huecos (V_{h_total}):
   V_{h_total} = V_ap – V_r = 11.538 dm³ – 10 dm³ = 1.538 dm³
4. Volumen de huecos accesibles (V_{h_acc} o V_h’):
   V_{h_acc} = V_{h_total} – V_{h_inacc} = 1.538 dm³ – 0.5 dm³ = 1.038 dm³
5. Masa de agua para saturar los huecos accesibles (M_agua):
   M_agua = V_{h_acc} * ρ_agua = 1.038 dm³ * 1 kg/dm³ = 1.038 kg
6. Masa saturada (M_sat):
   M_sat = M_s + M_agua = 15 kg + 1.038 kg = 16.038 kg

PREGUNTA 4. Explica qué son el límite elástico y el módulo de elasticidad de un material (representa una gráfica tensión/deformación para explicarlos). ¿En qué unidades se expresan? (1)

El límite elástico (σ_e) es la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si la tensión aplicada es inferior al límite elástico, el material recuperará su forma original al cesar la carga. Si se supera este límite, el material entra en la zona plástica y experimentará deformaciones permanentes.

El módulo de elasticidad o Módulo de Young (E) es una medida de la rigidez del material. Representa la relación constante entre la tensión (σ) aplicada y la deformación unitaria (ε) producida en la región elástica del material. Se calcula como E = σ/ε.

Estos conceptos se visualizan en una gráfica tensión-deformación. En la zona elástica inicial, la relación es lineal y su pendiente es el Módulo de Young. El punto donde la curva deja de ser lineal y/o donde comienzan las deformaciones permanentes significativas se relaciona con el límite elástico.

Unidades:

• Límite elástico (σ_e): Se expresa en unidades de presión, comúnmente en Pascales (Pa) o Megapascales (MPa). (1 MPa = 1 N/mm²)
• Módulo de Elasticidad (E): También se expresa en unidades de presión, como Pascales (Pa), Gigapascales (GPa) o N/mm².

PREGUNTA 5. Tenemos un litro de agua pura a una temperatura de 90 °C. Sabemos que el calor específico del agua es c = 1 cal/(g·°C) y que el calor de vaporización del agua es L_v = 540 cal/g. ¿Cuánta energía necesitamos consumir para que todo el agua se convierta en vapor? (1)

Para que el agua a 90 °C se convierta completamente en vapor, primero debe alcanzar la temperatura de ebullición (100 °C a presión atmosférica estándar) y luego absorber el calor latente de vaporización.

Datos:

• Volumen de agua = 1 litro = 1000 mL. Como la densidad del agua es aprox. 1 g/mL, la masa (m) = 1000 g.
• Temperatura inicial (T_i) = 90 °C.
• Temperatura final (de ebullición, T_f) = 100 °C.
• Calor específico del agua (c) = 1 cal/(g·°C).
• Calor latente de vaporización (L_v) = 540 cal/g.

Cálculos:

1. Energía para calentar el agua de 90 °C a 100 °C (Q₁):
   Q₁ = m * c * (T_f – T_i)
   Q₁ = 1000 g * 1 cal/(g·°C) * (100 °C – 90 °C)
   Q₁ = 1000 g * 1 cal/(g·°C) * 10 °C = 10,000 cal
2. Energía para vaporizar el agua a 100 °C (Q₂):
   Q₂ = m * L_v
   Q₂ = 1000 g * 540 cal/g = 540,000 cal
3. Energía total necesaria (Q_total):
   Q_total = Q₁ + Q₂ = 10,000 cal + 540,000 cal = 550,000 cal
4. Conversión a Julios (J) (sabiendo que 1 cal ≈ 4.184 J):
   Q_total (J) = 550,000 cal * 4.184 J/cal = 2,301,200 J
   Q_total (J) ≈ 2.30 x 10⁶ J

PREGUNTA 6. Explica qué es una sustancia. En qué se diferencia de una mezcla. Pon ejemplos. (1)

Una sustancia (o sustancia pura) es una forma de materia que tiene una composición química definida y constante, así como propiedades características. Sus componentes (átomos, moléculas o unidades formulares en cristales) están organizados de una manera específica y homogénea. Para separar los componentes de una sustancia (si es un compuesto) es necesario utilizar métodos químicos que rompan enlaces.

Una mezcla está formada por la unión física de dos o más sustancias puras, donde cada sustancia conserva su identidad y propiedades químicas. Los componentes de una mezcla pueden estar en proporciones variables y se pueden separar mediante métodos físicos (destilación, filtración, decantación, etc.).

Diferencias clave:

• Composición: Sustancias tienen composición fija; mezclas tienen composición variable.
• Propiedades: Sustancias tienen propiedades constantes y definidas; mezclas tienen propiedades que dependen de su composición y de las propiedades de sus componentes.
• Separación: Componentes de compuestos (sustancias) se separan por métodos químicos; componentes de mezclas se separan por métodos físicos.

Ejemplos:

• Sustancias: Agua (H₂O), sal común (NaCl), oxígeno (O₂), hierro (Fe).
• Mezclas: Agua salada (agua y sal), aire (nitrógeno, oxígeno, etc.), granito (cuarzo, feldespato, mica), ensalada.

PREGUNTA 7. ¿Qué es el cero absoluto de una sustancia? ¿Cuál es el cero absoluto expresado en las tres escalas de temperatura? (1)

El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible. A esta temperatura, las partículas de un cuerpo (átomos y moléculas) tendrían la mínima energía cinética posible (estado de reposo vibracional mínimo, según la mecánica cuántica). Es el punto de partida de la escala Kelvin.

El cero absoluto se expresa en las tres escalas de temperatura principales como:

• Escala Celsius: -273.15 °C
• Escala Kelvin: 0 K
• Escala Fahrenheit: -459.67 °F

PREGUNTA 8. (La respuesta correcta suma 0.5 y la incorrecta resta 1 y en blanco resta 0.5). ¿Cuál es la densidad del agua? Escríbela en 3 formas diferentes.

La densidad del agua varía ligeramente con la temperatura y la presión. Una valor comúnmente utilizado para el agua pura a 4 °C y presión atmosférica es:

• 1000 kg/m³ (Sistema Internacional)
• 1 g/cm³
• 1 g/mL

(Nota: A temperatura ambiente, aprox. 20-25 °C, la densidad es ligeramente menor, alrededor de 997-998 kg/m³).

PREGUNTA 11. ¿Cómo se designa un cemento resistente al agua de mar? (0.5)

Un cemento resistente al agua de mar (MR) se designa añadiendo las siglas MR a la designación normal del cemento. En algunas nomenclaturas, se pueden omitir las letras CEM si el contexto es claro.

Ejemplo: Un cemento tipo III/B con resistencia 32.5 N/mm² y alta resistencia inicial (R), que además es resistente al agua de mar, podría designarse como: CEM III/B 32,5 R – MR o, de forma abreviada en ciertos contextos, III/B 32.5 R/MR.

PREGUNTA 12. Escribe el significado de las siguientes letras en la designación de un cemento portland con adiciones: (1)

• S: Escoria granulada de alto horno (Slag)
• D: Humo de sílice (Silica fume)
• P: Puzolana natural (Pozzolan)
• Q: Puzolana natural calcinada
• V: Ceniza volante silícea (Fly ash, siliceous)
• W: Ceniza volante calcárea (Fly ash, calcareous)
• T: Esquisto calcinado (Calcined Shale)
• L: Caliza (con contenido de Carbono Orgánico Total (COT) ≤ 0.50 % en masa)
• LL: Caliza (con contenido de Carbono Orgánico Total (COT) ≤ 0.20 % en masa)

PREGUNTA 9. De una muestra de un material tenemos los siguientes datos: (2.5)

• La muestra tiene forma cúbica, de 10 cm de lado.
• El volumen real de la muestra es de 0.8 dm³.
• El volumen de huecos accesibles de la muestra es de 0.1 dm³.
• Secando la muestra y pesándola a peso constante en laboratorio, obtenemos un peso de 16 N.

Calcula, utilizando como peso específico del agua 10 N/dm³, y escribiendo los resultados en la tabla siguiente:

Datos y Conversiones:

• Lado del cubo = 10 cm = 1 dm
• Volumen aparente (V_ap) = (1 dm)³ = 1 dm³
• Volumen real (de sólidos, V_s) = 0.8 dm³
• Volumen de huecos accesibles (V_{h_acc}) = 0.1 dm³
• Peso seco (P_s) = 16 N
• Peso específico del agua (γ_agua) = 10 N/dm³

Cálculos:

1. Volumen aparente de la muestra (V_ap):
   V_ap = (10 cm)³ = 1000 cm³ = 1 dm³.
2. Peso saturado de la muestra (P_sat):
   Peso del agua en huecos accesibles (P_agua) = V_{h_acc} * γ_agua = 0.1 dm³ * 10 N/dm³ = 1 N.
   P_sat = P_s + P_agua = 16 N + 1 N = 17 N.
3. Peso sumergido de la muestra (P_sum): (Asumiendo muestra saturada sumergida)
   Empuje (E) = V_ap * γ_agua = 1 dm³ * 10 N/dm³ = 10 N.
   P_sum = P_sat – E = 17 N – 10 N = 7 N.
4. Porosidad total del material (n):
   Volumen total de huecos (V_{h_total}) = V_ap – V_s = 1 dm³ – 0.8 dm³ = 0.2 dm³.
   n = V_{h_total} / V_ap = 0.2 dm³ / 1 dm³ = 0.2 (o 20%).
   (Porosidad accesible (n_acc) = V_{h_acc} / V_ap = 0.1 dm³ / 1 dm³ = 0.1 o 10%)
5. Índice de poros accesibles del material (e_acc):
   e_acc = V_{h_acc} / V_s = 0.1 dm³ / 0.8 dm³ = 0.125.
   (Índice de poros total (e) = V_{h_total} / V_s = 0.2 dm³ / 0.8 dm³ = 0.25)

PREGUNTA 3. ¿Cuál es y cómo se obtiene la humedad óptima de una tierra? (1)

La humedad óptima de una tierra (o suelo) es el contenido de agua, expresado como porcentaje del peso seco del suelo, con el cual esa tierra alcanza su máxima densidad seca bajo una energía de compactación específica.

Se obtiene mediante un ensayo de laboratorio llamado Ensayo Próctor (ya sea Próctor Estándar o Próctor Modificado). En este ensayo, se compacta el suelo en un molde cilíndrico en varias capas, aplicando un número determinado de golpes con un pisón de peso y altura de caída normalizados. Se realizan varias pruebas con diferentes contenidos de humedad, y se determina la densidad seca para cada una. Al graficar la densidad seca versus el contenido de humedad, se obtiene una curva parabólica; el pico de esta curva corresponde a la máxima densidad seca, y el contenido de humedad en ese punto es la humedad óptima.

PREGUNTA 4. ¿Qué partes del tronco de un árbol constituyen la madera? (1)

Las partes principales del tronco de un árbol, desde el interior hacia el exterior, son:

• Médula: Tejido central, a menudo blando.
• Duramen (o corazón): Madera más interna, densa y oscura, compuesta por células muertas. Proporciona soporte estructural.
• Albura: Madera más externa y clara que el duramen, contiene células vivas y transporta savia.
• Cámbium: Capa delgada de células vivas entre la albura y el líber, responsable del crecimiento en diámetro del árbol.
• Líber (o floema): Capa interna de la corteza que transporta los azúcares producidos en la fotosíntesis.
• Corteza: Capa protectora externa del tronco.

De estas, el duramen y la albura constituyen la madera propiamente dicha utilizada con fines comerciales y estructurales.

PREGUNTA 5. Calcula el tiempo que tardará en carbonizarse una viga de madera de 20 cm x 30 cm de sección, si está totalmente expuesta a un incendio. (1)

Datos:

• Sección de la viga: 20 cm x 30 cm.
• Velocidad de carbonización (β): 0.7 mm/min (por cara expuesta).

Si la viga está”totalmente expuest”, la carbonización ocurrirá desde todas las caras hacia el interior. El tiempo para que se”carbonic” (interpretado como el tiempo para que el frente de carbonización alcance el centro de la sección más delgada) dependerá de la dimensión más pequeña.

La dimensión más pequeña es 20 cm = 200 mm.

La profundidad que debe carbonizarse desde la superficie hasta el centro es la mitad de esta dimensión: d = 200 mm / 2 = 100 mm.

Cálculo del tiempo (t):

t = profundidad a carbonizar / velocidad de carbonización

t = 100 mm / 0.7 mm/min

t ≈ 142.86 minutos

Convirtiendo a horas:

t ≈ 142.86 min / 60 min/hora ≈ 2.38 horas.

Nota: Este es un cálculo simplificado. Las tasas reales de carbonización pueden variar según la especie de madera, densidad, contenido de humedad y condiciones del incendio.

PREGUNTA 6. Explica tres defectos que puede tener la madera. (1)

La madera puede presentar diversos defectos que afectan su calidad y propiedades. Tres comunes son:

• Nudos: Son las bases de las ramas que quedaron englobadas en el tronco a medida que este crecía en diámetro. Los nudos interrumpen la continuidad de las fibras, pudiendo reducir la resistencia mecánica de la madera. Se clasifican según su tamaño, forma, estado (sanos, muertos, saltadizos), etc.
• Fendas: Son grietas o aberturas longitudinales en la madera. Pueden originarse durante el crecimiento del árbol (por tensiones internas, viento, heladas) o, más comúnmente, durante el proceso de secado debido a contracciones desiguales. Reducen la integridad estructural y la apariencia.
• Acebolladura: Es la separación entre dos anillos de crecimiento consecutivos. Se manifiesta como una grieta curva que sigue la dirección de los anillos. Puede deberse a factores como heladas fuertes durante el crecimiento o tensiones internas.

PREGUNTA 9. Escribe y explica la reacción que se produce en un horno para fabricar la cal viva. (1)

La cal viva (nombre común del óxido de calcio, CaO) se fabrica mediante la calcinación de piedra caliza, cuyo componente principal es el carbonato de calcio (CaCO₃).

En un horno a altas temperaturas (generalmente entre 900 °C y 1200 °C), el carbonato de calcio se descompone térmicamente en óxido de calcio y dióxido de carbono gaseoso. Esta reacción se conoce como descarbonatación.

La reacción química es la siguiente:

CaCO_3(s) + Calor → CaO_(s) + CO_2(g)

Donde:

• CaCO_3(s): Carbonato de calcio sólido (piedra caliza).
• CaO_(s): Óxido de calcio sólido (cal viva).
• CO_2(g): Dióxido de carbono gaseoso, que se desprende.

El producto, CaO, es un sólido blanco y cáustico que reacciona exotérmicamente con el agua para formar hidróxido de calcio (cal apagada).

PREGUNTA 10. ¿Cómo se designa un cemento portland con adiciones? (0.5)

Un cemento Portland con adiciones se designa generalmente utilizando la nomenclatura CEM II, CEM III, CEM IV o CEM V, según la norma europea EN 197-1. Estos tipos se diferencian del cemento Portland puro (CEM I) por la inclusión de uno o más tipos de adiciones minerales (como escoria de alto horno, puzolanas, cenizas volantes, humo de sílice, esquisto calcinado o caliza).

Por ejemplo, CEM II se refiere a cementos Portland compuestos, que contienen entre un 6% y un 35% de adiciones. La designación completa incluye letras que indican el tipo y la cantidad de la adición principal (ej. CEM II/A-S, CEM II/B-L).