Sistemas materiales: concepto, propiedades, clasificación, ejemplos
¿Qué son los sistemas materiales?
Un sistema material, en química y otras ciencias, corresponde a una porción del universo formada por materia y que se separa de los alrededores con la finalidad de estudiarla.
Por ejemplo, cuando un químico dice que va a estudiar las propiedades de una solución, dicha solución corresponde a un sistema material, ya que está formada por materia, y el químico la estudia de forma separada a los alrededores.
Propiedades de los sistemas materiales
Poseen masa y ocupan un lugar en el espacio
Esta propiedad viene del simple hecho de estar formados por materia. Esta se define como todo aquello que tenga masa y volumen, así que, al estar formados por materia, los sistemas también tendrán masa y volumen.
Estas dos propiedades son generales para cualquier sistema, independientemente de su composición y son propiedades extensivas, ya que dependen de la cantidad de materia que contiene.
Pueden ser de cualquier tamaño
Siempre y cuando estén compuestos de materia y exista una frontera bien definida con los alrededores, los sistemas materiales pueden ser tan pequeños o tan grandes como se quiera.
Por ejemplo, los físicos de partículas estudian la materia a escalas incluso menores que el tamaño de un átomo. En estos casos, el sistema puede estar formado por la región donde colisionan dos protones a alta velocidad para fragmentarse en diminutas partículas llamadas quarks.
Por otro lado, los cosmólogos que estudian galaxias lejanas, agujeros negros y todo tipo de objetos celestes exóticos también están estudiando sistemas materiales en escalas inimaginablemente enormes.
Tiene fronteras bien definidas
Una de las características más importantes para definir un sistema es que se pueda distinguir claramente dónde termina el sistema y dónde comienzan los alrededores. Esto significa que un sistema material debe tener fronteras bien definidas.
También es importante poder definir o conocer las características de dichas fronteras, ya que esto facilita su estudio.
Por ejemplo, un sistema pude ser un gas contenido en un cilindro con un pistón móvil que permite comprimir o expandir su volumen, o podría estar confinado en un reactor metálico rígido que no permite cambios en su forma y volumen.
Por otro lado, otro sistema podría ser una taza de café confinada en un termo cuyas paredes son adiabáticas (que no permiten la transferencia de calor desde o hacia el sistema).
Propiedades específicas
Los sistemas materiales también tienen una serie de propiedades que no dependen de su tamaño o de la cantidad de materia sino más bien de la clase de materia de la cual están formados.
Algunos ejemplos de propiedades que caracterizan a un sistema material son el color, el brillo, la conductividad térmica y eléctrica, la densidad, etc.
Clasificación de los sistemas materiales
Los sistemas materiales pueden ser muy variados dependiendo de las características de la materia que los compone. En primer lugar, se pueden distinguir dos clases de sistemas materiales según el número de fases diferentes que logremos distinguir a simple vista. Estos son los sistemas homogéneos, los heterogéneos y los sistemas inhomogéneos.
Estos sistemas a su vez pueden dividirse en otras clases de sistemas materiales según su composición.
1. Clasificación de los sistemas materiales según el número de fases
Cuando observamos un sistema material a simple vista o incluso con la ayuda de microscopio, es posible que distingamos o no partes del sistema que son diferentes entre sí. Esto trae como consecuencia que existan diferentes clases de sistemas:
Sistemas materiales homogéneos
Son aquellos en los que solo se distingue una clase de materia, incluso al mirar al sistema muy de cerca con el uso de un microscopio. Los sistemas homogéneos se caracterizan porque sus propiedades son exactamente iguales en cualquier parte del sistema que se observe.
Todas las regiones de un sistema homogéneo tienen exactamente la misma composición y, por lo tanto, las mismas propiedades intensivas tales como color, densidad, etc. Se dice que los sistemas homogéneos están formados por una sola fase de materia.
Ejemplos
El agua pura es un ejemplo de un sistema homogéneo, ya que es imposible distinguir una gota de agua de otra en un vaso lleno de agua. Además, cualquier gota de agua que tomemos de un lado del sistema tendrá las mismas características y propiedades que cualquier otra gota tomada de otra parte del sistema.
Un bloque de bronce o de cualquier otra aleación también es un ejemplo de un sistema material homogéneo, ya que tiene una composición uniforme en toda su extensión.
Sistemas materiales heterogéneos
Los sistemas heterogéneos son aquellos que a simple vista o con el uso de un microscopio se puede notar que está formado por más de una fase. Esto quiere decir que se pueden ver regiones del sistema con características diferentes y que están físicamente separadas de las demás por medio de fronteras definidas.
Un sistema heterogéneo está formado por varias fases no mezcladas de sistemas homogéneos.
Ejemplos
La arena y el granito son ejemplos clásicos de sistemas heterogéneos, ya que al mirarlos de cerca se puede ver claramente que están formados por partículas de tamaños, formas y colores diferentes.
Un bistec de carne también es un sistema heterogéneo, ya que claramente se distinguen zonas en las que hay tejido rojo y otras donde hay grasa de color blanco.
Sistemas materiales Inhomogéneos
Estos son sistemas que a simple vista parecen homogéneos, ya que no se distinguen claramente fases diferentes, pero que tienen composiciones y propiedades diferentes en distintas partes. Se caracterizan por presentar un cambio gradual y continuo de composición y de propiedades desde una región del sistema a otra.
Ejemplo
Un ejemplo es la atmósfera, la cual está formada por aire, una sustancia gaseosa aparentemente homogénea. Sin embargo, si se analiza el aire de la atmósfera superior y se compara con el del nivel del mar, se observa que arriba es menos denso, contiene menor concentración de oxígeno, tiene una temperatura diferente, etc. Por lo tanto, es un sistema inhomogéneo.
2. Clasificación de los sistemas materiales según su composición
Sustancias puras
Las sustancias puras son sistemas homogéneos formados por una sola clase de sustancia. Se pueden reconocer porque no es posible separarlos en otras sustancias más simples por medios físicos como filtración, destilación, evaporación, etc.
Las sustancias puras pueden ser de dos tipos:
- Elementos o sustancias elementales: estas no pueden separarse en otras sustancias más simples ni por medios físicos ni químicos.
- Compuestos: son aquellas sustancias puras formadas por más de un elemento.
Ejemplos
El oxígeno gaseoso, el hierro metálico y el bromo líquido son ejemplos de sustancias puras elementales.
Por otro lado, el agua, el dióxido de carbono y el ácido sulfúrico son ejemplos de compuestos.
Mezclas
Las mezclas son sistemas materiales formados por más de una sustancia pura. Se pueden distinguir dos tipos de mezclas:
- Mezclas homogéneas: también llamadas soluciones, son aquellas en las que todas las sustancias se encuentran en una sola fase.
- Mezclas heterogéneas: son mezclas en las que las sustancias se encuentran en fases diferentes claramente distinguibles unas de otras.
Ejemplos
El agua de mar es un ejemplo de una mezcla homogénea entre agua y sal. Las bebidas alcohólicas también lo son, ya que están conformadas por agua, alcohol y otras sustancias, todas en la misma fase.
Un trozo de madera es un sistema material formado por una gran cantidad de sustancias mezcladas en fases diferentes, por lo que es una mezcla heterogénea.