8/14/2019 Masa, cantidad de materia y de sustancia-Transposicin
Didctica
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Algunos autores , e incluso el Dicciona-encias de la Real
Aca
emia de Ciencias Exactas , Fsicas yNatu-les de Espaa (RAC) , la
adjetivan de masa
como si la masa pudiera ser otraque la medida de la inercia.
Estos
esultados, en mi opinin, deberan exprearse hoy as: "La materia
tiene una pro es la inercia y para medirla
definido una magnitud que es la(m =f/a),y una unidad que es el
kilo". Sin embargo, al expresarlo de este
arecen concepciones contrarias
materia est constituida por tom os deses que int egran millones
de
as y stos, a su vez, estn formapor electrones, protones,
neutrones, ynucleones por qu arks. Pero, cmo
la cantidad de materiae un sistema?
No cabe duda que la masa parece unaello: lamate
puesto que a ma yor cantidad de mater inercia tendr el sistema.
Es tan
decuada que desde hace mucho tiempo seconfunde. Suele decirse
que "la masa es
cantidad de materia que tiene un cuer". Este error proviene de
las definicio
es de Newton (tabla 1). De acuerdo a laefini cin primera, parece
que Newton
cant idad de materia mediante laobtiene el valor de sta a partir
de
densidad y el volumen, y no a partir deelacinf/a de su segunda
ley. La idea de
esarrollada en la Definicin terextraa, ya que la identifica
una fuerza propia de los cu erpos, concie de fuerza de rea ccin,
peroaclara que entre inercia y masa
encia por el modo de conce. Curiosamente cuando enuncia suegundo
Principio (Ley II) no menciona la
sa, ni la inercia, ni la cantidad de mateia.
Hemos de ma ntene r hoy las conceps de Newton sin alteracin?
Parece
vidente que no. Los paradigm as han camado, y nuevas teoras
(como la de la relavidad) han modificado en pro fundidadgunos
conceptos, pero es sorprendente la
cia que las ideas, bien asentadase antiguo , presentan al cambio
conceptual .La cantidad de materia no deberamosentificarla con la
masa (ni con lainercia).
concepto definido mediante
una expr esin matemtica, por tanto no secorresponde con una
imagen concreta y esla materia, de una clase determinada (hierro ,
madera , piedra... ), lo que tenemos inmente cuando la evocamos. Lo
correcto,en el mbito de est as concepciones antiguas, sera decir:
"La cantidad de materiade un cuerpo viene medida por su
masa".ElDiccionario de laRAC define la masa as:"Magnitud fsica fund
amental que expresael contenido en materia de un cu erpo".
Sinembargo, habra qu e hilar ms fino y serams pre ciso decir:
"Masa, magni tud fsicafundamental que mide la inercia de uncuerpo".
Yesto es as porque la poca en laque se crea que la mas a era
constante yque la energa era algo etreo ya es antigua.Hace ya
tiempo que sabemos que la masade un sistema no depende slo de la
cantidad de materia pr esente (en reposo, mo ,sino de la velocidad
(v) con que se mueve,de la temperatura a que se encuentra y,
engeneral, de la energa que contiene:
Cuando una masa de 1 kg de hierro secalienta de OOC a 100 oC su
masa se incrementa en 5,1.10'10 g, pes e a que, evidentemente, su
cantidad de materia no ha variado. Podramos aadir datos sem
ejantes, sien lugar de hacerse la medida de la masa porun
observador en reposo con relacin al
bloque de hierro lanzr amos el objeto a3.103 mIs . Tambin en
este caso habra unin cremento de inercia (y, po r tanto, demasa)
que no se correspondera con la constancia de la cantidad de materia
del sistema . Dicho en otros trminos; no solamente la materia tiene
inercia , la en ergatambin la tiene. Por tanto , cuando medimos la
masa de un sistema estamos midiendo la cantidad de materia que
contiene y laen erga qu e, de alguna forma , est int egrada en
ella. Segn Einstein:
Loqu e l interpreta as: "La masa de uncuerpo es una medida de su
contenido deen erga", a lo que aade: "Sila teora [delaRelatividad
Especial] responde aloshechos,la radiacin transmite inercia entre
los cuerpos emisores y absorbentes".
Utilizar la masa pa ra medir la cantidadde materia de un sistema
es un a formaburda qu e slo dar resultados admisibles en ciertas
condiciones (repo so o bajasvelocidades y bajos contenidos en
otrasenergas).Cantidad de sustanciaToda la problemtica expuesta
afecta.l gcamente, a la qumica. Con la dificultadadicional de que,
para comprender los cambios qumicos, no slo es necesario medir
Tabla 1. Algunas definiciones y leyes enPhilosophiae Naturali s
Principia Marhematica, de Isaac Newton,Principia EnunciadoDefinicin
primera "La cantidad de materia es la medida de la misma. surgda de
su densidad y magnitud conjun tamen te".Y ms adelan te aade: "E s
esa cantidad la que en lo sucesivo men ciono bajo el nombre de masa
o cuerpo. Lo mismo se daa conocer mediante el peso de cada cuerpo:
pues la masa
es proporcional al peso. como he descubierto por experimentos
muy precisos con pndulos.. ..".Definicin tercera "La fuerza nsita
(innata) de la materia es un poder deresiste ncia de odas los
cuerpos, en cuya virtud perse veran cuan to est en ellos por
mantenerse en su es tado actua l, ya sea de reposo o de m ovimien
to uniformeen lnea recta .""Esta fuerza es siempre proporcional a
su cuerpo (masa),y slo difiere de la inact ividad de la masa por el
modo deconcebirla. Debido a la inercia de la mat eria, un cuerpono
abandona sin dificultad su estado de reposo o de movimiento. Por lo
cua esa vis nsita puede llamarse muy significativamente vis
inertiae (fuerza de inactividad). Peroun cuerpo sloejerce esa
fuerza cuando otra fuerza impresa en l trata de alterar su
estado...".Ley 1I "El cambio de movimiento es proporcional a la
fuerzamotriz impresa y se hace en la direccin de la lnea rectaen la
que se imprime esa fuerza."
N 586 diciemb re zc oc -enero 20IO [ 45 QeI ] Qumica e Ind
ustria
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oer qumica y educacinTabla 2. Transposiciones didcticas de
conceptos
Concepto Transposicin didcticaMateria Es todo aquello que tiene
extensin e inercia; aunque losdistintos mate riales tienen otras
muchas propiedades.Lama teria est formada por partculas, tomos,
molculas,
etc.Inercia Es la propiedad de la materia por la que un cuerpo
oponeresistencia a ser acelerado. Esta propiedad tambin la tiene la
energa.Masa La materia tiene una propiedad que es la inercia y
paramedirla hemos definido una magnitud, que es la masa(m = f/a),y
una unidad, que es el kilog ra mo. Masa es la medida de la cantidad
total de materia y energa que tiene uncuerpo. Lamasa es una
magnitud fsica fundamental quemide la inercia de un cuerpo y, por
tanto, la can tidad totalde materia y energa que contiene.Cantidad
de materia No es aconsejable utilizar este trmino en la enseanzaya
que no posee una definicin ni una unidad y conducea una larga serie
de confusiones.Cantidad de sustancia Para medir la cantidad de
sustancia nos basamos en quetoda la materia est formada por
partculas, tomos, molculas,etc.Y tomamoscomounidad un
determinadonmero de ellas, precisame nte el NA, y la llamamos
mol.
El mol es la canti dad de sustancia de un sistema que contiene
tantas unidades elementales como tomos hay en0,012 kg de C-12El mol
es slo un nmero de partculas iguales (tomos desodio,molculas de
agua,etctera)y la inclusin en su definicin oficial de la frase:
"cantidad de sustancia que hayenun NA de partculas" es totalmente
confusa puesto queparece que las partculas estuvieran llenas de
"sustancia".Unadefinicinms clara,especialmente para nivelesbajosde
ense anza , sera: mol es la unida d de can tidad de sustanciay est
formado por un NA de partculas
la cantidad de mater ia que interviene, y laenerga implicada en
el cambio, sino, adems, el nmero de partculas involucrado.
La primera de las leyes qumicas, la deLavoisier, slo meda y
relacionaba lasmasas (que incluso' no diferenciaba de lospesos), y
otro tanto ocurri con las otrasdos leyes ponderales. Pero fueron
unas leyesinescrutables, oscuras. Hasta que Daltoncomprendi que la
materia estaba formada por tomos (lo que quiz constituya elms
productivo descubrimiento de toda laciencia hasta hoy) no se logr
comprenderlas claves de los cambios qumicos. Las relaciones
descubiertas posteriormente porAvogadro entre el nmero de partculas
yla masa de las sustancias permitie ron finalmente elaborar las
magnitudes necesariaspara medir con precisin estos cambios.
El mol es la magnitud por excelencia dela qumica, que viene de
la molcula-gramo y del tomo-gramo y otras magnitudessimilares, como
el equivalente-gramo, hoydesaparecido por innecesario. La
sobreabundancia de magnitudes , en cierto modoredundantes, dio pie
a la toma de acuerdosinternacionales para aclarar el panorama.
Finalmente, la Unin Internacional deQumica Pura y Aplicada
(IUPAC) acorddefinir una nueva magnitud: la cantidadde sustancia y
un a unidad: el mol (R D1317/1989, BOE264 de 27de octubre, en elque
se adopta el S.r. de unidades en Espaa): "1.1.6. Unidad de cant
idad de sustancia: mol (mol). El mol es la can tidad de sustancia
de un sistema que contiene tantasunidades elementales como tomos
hay en0,012 kilogramos de carbono 12.Cuando seemplee el mol deben
especificarse las entidades elementales, que pueden ser
tomos,molculas, iones, electrones u otras partculas o grupos
especificados de tales partculas (14a Conferencia General de Pesasy
Medidas, 1971 res. 3.)"
Esta definicin, tan precisa como barroca, ha producido un a no
desdeable confusin en medios educativos. Prueba deello es el nmero
de artculos que han aparecido en las revistas de didctica de
lasciencias. As, la nueva definicin podrasuscitar todo un rosario
de interrogantes:
1. Era necesaria la definicin? No viene a ser lo mismoque el
antiguo concepto demo lcula-gramo?
Entre la nueva definicin y la antiguaexiste la misma diferencia
que entre cantidad de materia y masa. As, la molculagramo podamos
definirla como: "La masade un NA de particulas de una misma
sustancia", Y el mol como: "La cantidad demateria de un NA de
partculas de una misma sustancia".
Con cantidad de materia queremosexpresar la medida de la materia
presenteen un sistema. cualquiera que sea el mtodo que pudiera
usarse para lograrlo (mtodo del que, en la prctica, hoy
carecemos).La masa es una medida imprecisa porquemide la inercia
del sis tema y con ella medimas tanto su materia como su
energa.
2. Por qu cantidad de sustancia y nocantidad de materia?Cul es
la diferencia?
En lengua espaola, yen el metalenguaje de los qumicos, la
palabra materia serefiere a cualquier porcin material formada por
tomos, molculas, iones, etctera, de cualquier clase. As, podemos
preguntarnos por la cantidad de materia queencierra una galaxia. En
cambio, cuandohablamos de sustancia utilizamos el trmino en el
sentido de sustancia pura. Cuando hablamos de la naturaleza de los
semiconductores tipo n decimos que estnformados por una sustancia,
el Ge, ligeramente impurificada por otra, elAs.Un qumico jams
escribira en una receta de laboratorio: "Tmense 0,5 mol de granito
y... ",porque esto carecera de sentido.
Al definir un a magnitud qumica nopodra hacerse de otro modo que
definiendo cantidad de sustancia porque serefiere a una especie
qumica pura, no auna cantidad de materia que carece de utilidad en
los clculos qumicos (no obstante, en portugus la definicin oficial
de molse ha traducido por cantidad de materia).
3. Porqu "tantas unidades elementalescomo tomos hay en 0,012
kgde C-12", enlugar de 6,023 1(J22?
Esta pregunta tiene una respuesta obvia:cuando se acomete una
definicin que pretende ser universal y para siempre es necesario
utilizar las cantidades del modo mspreciso posible. El nmero de
Avogadro nose conoce con gran precisin, las ltimasmedidas dan
(6,0221-H79 3.10-7) .1023 mol',pero todava hay demasiadas cifras
ocupadas por ceros. La forma en que se ha definido contempla todas
las aproximacionesque puedan irse haciendo a lo largo demuchos aos.
QeIManuel Reyes Camacho
Qumica e Industria [ QeI 46 1N,O 586 diciembre zooc-enero
2010
