Matter and its propertiesLa materia y sus propiedades

Ciencias Naturales1º de E.S.O.

Francisco J. Barba Regidor

Curso: 2008-09

What is matter?: The Concept¿Qué es la materia?: el concepto

Everything that takes up spaceand has mass is matter. Thatsupposes that everythingaround us is matter.All of the matter types are made up of small particles, even more than you can imagine. The properties of the matterare:- General properties.- Specific properties.

Todo lo que ocupa un espacio y está hecho de masa es materia. Ello supone que todo lo que hay a nuestro alrededor es materia.Todos los tipos de materia están hechos de pequeñas partículas, incluso más de lo que se puede imaginar.Las propiedades de la materia son:- Generales.- Específicas.

Matter propertiesPropiedades de la materia

Matter is anything that has both mass and volumeMateria es todo lo que tiene a la vez masa y volumen.

- General properties. They are the properties common to allmatter: mass, volume, weightand density.- Specific properties. They are the characteristics that allows usto differentiate one kind of matterto another: colour, shape, size, texture, hardness, etc. They can be used to identify and describe matter.

- Generales. Son las propiedades comunes a toda materia: masa, volumen, peso y densidad.- Específicas. Son las características que nos permiten diferenciar un tipo de materia de otro: color, tamaño, textura, dureza, etc. Pueden ser usadas para identificar y describir materia.

Matter examples/Ejemplos de materia

Physical magnitudesMagnitudes físicas

A physical magnitude is a property of the matter that we can measure. So, it is a physicalmagnitude the volume of a coin, forexample.

Una magnitud física es una propiedad de la materia que se puede medir. Así, es una magnitud física el volumen de una moneda, por ejemplo.

We measure the coin’s volume with a test-tubeMedimos el volumen de la moneda con unaprobeta

Imágenes tomadas de http://www.slideshare.net/jmaq1997/

Beauty isn’t a magnitude. We can’t measure it with an instrument or with a machine. However, there’s a world beauty competition every year.

Knowledge isn’t a magnitude. We can’t measure it with an instrument or with a machine. However, you have to pass many exams every year.

How can we measure a physical magnitude?

We can measure a physical magnitude with an instrument of measure.And we must express a magnitude with a number or quantity and a unit.

Magnitude = quantity x unit

For example, a car is running at 120 km/h. We express it like:

V = 120 km/h

Speed, (magnitude)

Number or quantityUnit

REMEMBER!:You always must

express the magnitude like a number followed

by a unit.Put the unit!

Don’t forget it!

The International System/El Sistema InternacionalMagnitudes and units/Magnitudes y unidades

All the magnitudes and their units are gathered in a common set called the International System.Scientists choose an arbitrary number of magnitudes. They are most important. These ones are called fundamental magnitudes.The rest of the magnitudes are called derived magnitudes.The seven fundamental magnitudes of the International System:

candela (cd)Luminous intensityMol (mol)Amount of substanceampere (A)Intensity of electric currentkelvin (K)TemperatureKilogram (kg)Masssecond (s)Timemeter (m)LengthUNITMAGNITUDE

FUNDAMENTAL MAGNITUDES AND THEIR UNITS

The rest of the magnitudes are called derivate.Every derivate magnitude is defined from fundamental magnitudes.For example, the speed is the space divided by the time.

In the International System, some of the most used derivate magnitudes are:

So, speed = LongitudeTime And unit of speed is meter

second

Pascal (Pa)Pressure: P = F / Swatt (W)Power: P = W / tJoule (J)Work, Energy: W = F . LNewton (N)Force: F = m . am/s2Aceleration: a = (v – v0) / tm/sSpeed: V = L/t(kg/m3)Density: d = m / Vm3Volume: V = L x L x Lm2Surface: S = L x LUNITMAGNITUDE

Definitions of fundamental units or standardsMeter or standard meter/Metro o metro patrónMany years ago, the meter was defined like the 10.000.000th (ten millionth) part of the half meridian earth that passes through Greenwich, (nearly to London). What does it mean? Imagine the meridian 0º or Greenwich Meridian, a fictitious line between the North Pole and the South Pole. Let's take the half meridian (between the North Pole and Equator), and let's divide it in 10.000.000 (ten million) equals parts.Every part is a meter long.

Equator

Meridian 0º

1 meter

Hace muchos años se definió el metrocomo la diez millonésima parte de la mitad del meridiano terrestre que pasa por Greenwich (próximo a Londres).¿Qué significa esto? Imagina el meridiano 0º o de Greenwich: una línea ficticia entre el Polo Norte y el Polo Sur. Tomamos medio meridiano (entre el Polo Norte y el Ecuador), y dividámoslo en diez millones de partes iguales. La longitud de cada parte es de un metro.

At the end of the XIX Century, the international prototype of the meter was defined as the distance between two lines on a standard bar composed of an alloy of ninety percent platinum and ten percent iridium, kept in the International Bureau of Weights and Measures from Sèvres, Paris. Of course, this bar measures 1 meter exactly.

Nowadays, the definition of meter is more difficult to understand: The meter is the length of the path traveled by light during a time interval of 1/299.792.458 of a second, in the vacuum.It means that in one second the light covers 299.792.458 meters long.

El metro patrón internacional es la distancia entre dos marcas sobre una barra patrón compuesta por una aleación de un 90% de platino y un 10% de iridio, conservada en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Sèvres, París. Por supuesto, esta viga mide 1 metro exactamente.Hoy día, la definición de metro es más difícil de comprender. Metro es la longitud del camino recorrido por la luz durante un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos en el vacío. Esto significa que en un segundo la luz recorre 299.792.458 metros de distancia.

Surface/SuperficieSurface is the space occupied by thelength and the width of a body. It is a derived unit of length. In theInternational System of Units thesurface is measured in square metres(m2).To calculate the surface area of1. Regular-shaped objects, you mustuse the mathematical equationcorresponding to the shape.2. Irregular-shaped objects, you mustdivide the irregular shape into regular ones, and calculate the area of eachone. Then, add these areas together tocalculate the total surface (this methodwill give you only an estimation).

La superficie es el espacio ocupado por la longitud y la anchura de un cuerpo. Es una unidad derivada de la longitud. En el Sistema Internacional de Unidades la superficie se mide en metros cuadrados(m2).Para calcular el área de la superficie de1. cuerpos de forma regular, debes utilizar la ecuación matemática correspondiente a la forma.2. objetos de forma irregular, debes dividir la forma irregular en formas regulares y calcular el área de cada una de ellas. Luego, sumas las áreas para calcular la superficie total (este método sólo proporciona una estimación).

Surface/SuperficieIrregular-shaped objects

Objetos de forma irregular

Regular-shaped objects

Objetos de forma regular

Volume/VolumenThe volume of a solid is the amount of space itoccupies. It is a derived unit from length and it ismeasured in cubic metres (m3). To measure thevolume, it depends both on the shape and on thestate of the body (see picture).

El volumen de un sólido es la cantidad de espacio que ocupa. Es una unidad derivada de la longitud y se mide en metros cúbicos (m3). Para medir el volumen, depende tanto de la forma como del estado del cuerpo (ver figura).

1. In the case of recular geometric solids, we can use thecorresponding methematical formula.

2. In the case of irregular-shaped solids, we must use a measuring cylinder to measure its volume: we submerge the body in water, and then we can measure the amount of water displaced.

3. If liquids, we can directly use a measuring cylinder.

4. If gases, first fill a measuring cylinder with water. Then, place itupside down in a dish of water and mark the water level in thecylinder: it is the initial volume. Next, blow air through a tube intothe cylinder: the air displaces some water. Mark the new waterlevel: it is the final volume. The difference between the two levelsis the volume of added gas to the cylinder.

Volume vs. CapacityVolumen frente a Capacidad

The Volume of a liquidcan be calculated by measuring the capacityof its container.

Capacity is the amountof liquid a container can hold when it is full. Forexample, the bottles ofthe picture havedifferent capacity.

Capacity is measured in litres (l)

El volumen de un líquido puede calcularse midiendo la capacidad de su contenedor.

Capacidad es la cantidad de líquido que puede almacenar un contenedor cuando está lleno. P.ej., las botellas de la figura tienen diferente capacidad.

La capacidad se mide en litros (l).

Multiples andsubmultiples

of the volumeand capacity

units. Equivalences

0,001 lMillilitre(ml)

0,01 lCentilitre(cl)

0,1 lDecilitre(dl)

Besides these volume units, are usual the next multiples:Cubic kilometre (km3):- 1 km3 = 1.000.000.000 m3

Cubic hectometre (hm3)- 1 hm3 = 1.000.000 m3

Cubic decametre (dam3)- 1 dam3 = 1.000 m3

1 lLitre(l)

1 mm3 =0,000000001 m3

Cubic millimetre(mm3)

10 lDecalitre(dal)

1 cm3 =0,000001 m3

Cubiccentimetre (cm3)

100 lHectolitre(hl)

1 dm3 =0,001 m3

Cubic decimetre(dm3)

1000 lKilolitre(kl)

1 m3Cubic metre(m3)

CapacityVolume

Equivalences.It depends onthe colour ofcells:- 1 m3 = l kl- 1 dm3 = 1 l- 1 cm3 = 1 ml- 1 mm3 = 0,001 ml

In spanish…: http://sauce.pntic.mec.es/jdiego/glosario/capacidad.swf

Mass/MassMass is the amount of matter in a body. Mass is a base unit and it is measured in kilograms (kg). Many other units of massare also employed, such as:- gram: 1 g = 0,001 kg (1000 g = 1 kg) - tonne: 1 tonne = 1000 kg

Scales are used to measure mass:

1g = 1.000 mgMilligram (mg)1g = 100 cgCentigram (cg)1g = 10 dgDecigram (dg)1kg = 1.000 gGram (g)1 kgKilogram (kg)1.000 kgTon (t)Equivalence in kgUnit and symbol

Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Masa es una unidad fundamental. Y se mide en kilogramos (kg). Se suelen emplear otras muchas unidades de masa, como:- gramo: 1 g = 0,001 kg (1000 g = 1 kg) - tonelada: 1 tonelada = 1000 kg

Se suelen usar escalas de medida:

The standard kilogram is a platinum-iridium cylinder held in a vault at the International Bureau of Weights and Measures in Sèvres, Paris.

El kilogramo patrón es un cilindro de platino-iridio encerrado en una cámara en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres, Paris.

Standard kilogram/Kilogramo patrón

How to measure the mass of a body?To measure the mass of a body different types of scales are used (in thecase of the picture, with two saucers to be balanced until the equilibriumas it is explained).

DensityDensity is the relationship between the mass and the volume of a body, that is, how concentrated the mass is in a specific volume. Density is measured in kg/m3 or g/cm3.Iron has a higher density than wood. These two blocks, one of iron, and one of wood, have the same volume. The block of iron has more mass, or amount of matter, so it is harder to move. The block of iron feels heavy forits size.The relationship between mass and volume:• The greater the mass is, the greater the density.• The greater the volume is, the smaller the density.Density is a specific property of matter. It helps differentiate one substance iron another.

Density = mass/volumeGenerally speaking, solids have a higher density than liquids. Liquids have a higher density than gases. For example, air weighs very littie because it has little mass: it feels light for its size.

La densidad es la relación entere la masa y el volumen de un cuerpo, esto es, nos indica cómo está de concentrada la masa en un volumen determinado. Se mide en kg/m3 or g/cm3.El hierro es más denso que la madera. Estos dos bloques, uno de hierro y otro de madera, tienen el mismo volumen. El de hierro tiene más masa –o cantidad de materia-, de ahí que sea más difícil de mover. El bloque de hierro parece máspesado para su tamaño.La relación entre masa y volumen:- A mayor masa, mayor densidad.- A mayor volumen, menor densidad.La densidad es es una propiedad específica de la materia. Nos ayuda a diferenciar una substancia de otra.

Densidad = masa/volumenEn general, los sólidos son más densos que los líquidos, y éstos que los gases.

Oil floats on waterbecause it is lessdense…

TemperatureTemperature mark

Mercury deposit

When it heats up, mercuryincreases in volume; then, it is

going up the narrow andgraduated tube

Temperature can be defined as the measure of the thermal state of a body, because this measurement is related to the body’s internal state. It is another general propiety of the matter. It can also change easily, like mass and volumen.

Temperature is related to the amount of heat a body gives off orabsorbs; a hot body will heat a cold one until they are both at the sametemperature: energy always passes from the hoter to the colder body.

The instrument used to measure temperature is the thermometer. Theunit for temperature is the Kelvin (K) in the I.S.U. You freqwuentlyusers the degrees Celsius (ºC). In this case the scale puts the zerovalue (0ºC) corresponding to the water freezing point; the one hundred(100ºC) value is put in the boiling point of water.

In some countries, like in the U.S.A., Fahrenheit (ºF) scale is used.

-459,67-273,150Absolute zero320273,15Freezing point of water212100373,15Boiling point of water

Fahrenheit deg. (ºF)Celsius deg. (ºC)Kelvin (K)Unit symbolFahrenheitCelsiusKelvinTermperature scales

TimeTime is a component ofthe measuring systemused to sequenceevents, to compare thedurations of events andthe intervals betweenthem, and to quantifythe motions of objects.

There are differenteinstruments to measuretime (hourglass andsundials, see pictures).

In the I.S.U, time ismeasured in seconds.

The flow of sand in anhourglass can be usedto keep track ofelapsed time. It alsoconcretely representsthe present as beingbetween the past andthe future (Picture andtext from Wikipedia).

Sundial, from http://www.steveirvine.com/sundial.html

Sundial, from http://www.germes-online.com/catalog/26/12/877/116164/

sell_sundial.html

Matter classificationClasificación de la materia

Matter/Materia

Mixtures/Mezclas Pure Substances

Substancias puras

HomogeneousHomogéneas

HeterogeneousHeterogéneas

CompoundsCompuestas

ElementsElementos

Substance/SubstanciaEvery type of matter is calledsubstance. The different typesof subtance are differentiated by means its specific properties, depending on its composition.

Cada tipo de materia se denomina substancia. Los diferentes tipos de substancia se diferencian por medio de sus propiedades específicas, que dependen de su composición.

Atoms: the Nature of matterÁtomos: la naturaleza de la materia

It is huge the number of substancesexisting in the Universe, but all of them are made up of atoms. Atom is the smaller unitcharacterizing and identifying the differenttypes of matter, keeping both its identityand its propieties.Every object has so many atoms that wecannot imagining it: In 12 g of carbon thereare 6,022*1023 atoms.Atoms are made up of three differentclasses of particles (elemental particles): protons, neutrons and electrons. In thismodel, protons and neutrons are in a dense, central zone: the nucleus. This issurrounded by a cloud of negatively charged electrons.

Es enorme el número de substancias que existen en el Universo, pero todas ellas están formadas por átomos. El átomo es la unidad más pequeña que caracteriza e identifica a los distintos tipos de materia, manteniendo tanto su identidad como sus propiedades.Cada objeto tiene tantos átomos que no lo podemos imaginar: en 12 g de carbono hay 6,022*1023 átomos.Los átomos están formados por tres clases de partículas diferentes (partículas elementales): protones, neutrones y electrones. En este modelo, los protones y los neutrones están en una zona densa y central: el nucleo. Éste está rodeado por una nube de electrones cargados negativamente.

Atoms/ÁtomosEvery type of atoms differs by

the number of protons there are in its nucleus. It is the atomic

number. For example, the gold atoms have one proton more

than those of the platinum.Each one of these different

types of atoms are calledchemical element. So,

Platinum and Gold are chemicalelements. But different.

Every chemical element isidentifying by means a name

and a symbol.All of the chemical elements are

gathered in the periodic table(next slide). The order is due to

the atomic number.

Cada tipo de átomos difiere por el número de protones que hay en su núcleo. Es el número atómico. Por ejemplo, los átomos de oro tienen un protón más que los del platino.Cada uno de estos diferentes tipos de átomos se denomina elemento químico. Así, el Platino y el Oro son elementos químicos.Cada elemento químico se identifica por un nombre y un símbolo.Todos los elementos químicos están recogidos en la tabla periódica (ver diapositiva siguiente) el orden se debe al número atómico.

Nucleus/Núcleo

Electronic cloud Nube electrónica

http://www.ptable.com/

Every chemical element isidentified by means a name and a symbol. All of them are grouped in the periodic table as rows(periods) ant columns (groups).

Names and symbols/Nombres y símbolos

Cada elemento químico se identifica por un nombre y un símbolo. Todos ellos están agrupados en la tabla periódica en filas (periodos) y columnas (grupos).

Periods/periodos

Groups/grupos

6

5

4

3

2

1

VIIIVIIAVIAVAIVAIIIA

Elements and Nature/Elementos y Naturaleza

Although all of the atoms are made up of the same elemental particles, every element has differentproperties and are present in thematter in different proportions.

The most abundant elements in theUniverse are hydrogen andhelium. Both of them are the basiccomponents of the stars (the Sun isone of them). So, for example, theyrepresent 92,4 and 7,5 % respectively of our Solar System.

Aunque todos los átomos están formados por las mismas partículas elementales, cada elemento tiene diferentes propiedades y estápresente en la materia en diferentes proporciones.

Los elementos más abundantes en el Universo son el hidrógeno y el helio. Ambos son los componentes básicos de las estrellas (el Sol es una de ellas). Así, por ejemplo, representan el 92,4 y el 7,5% respectivamente de nuestro Sistema Solar.

ELEMENTS IN THE EARTH CRUST

As far as we know, the most abundantelements in the Earth are iron (40%) andoxygen (28%). Nevertheless, the crustcomposition is quite different: oxygen, silicon, aluminium and iron are the mostabundant elements, and they are generallycombined whith each other, as it happensin silicates and many other minerals(oxides).

ELEMENTOS EN LA CORTEZA TERRESTRE

Hasta donde sabemos, los elementos más abundantes en la Tierra son el hierro (40%) y el oxígeno (28%). No obstante, la composición de la corteza es muy diferente: oxígeno, silicio, aluminio y hierro son los más abundantes, y generalmente aparecen combinados unos con otros, como ocurre en los silicatos y en muchos otros minerales (óxidos).

http://geography.sierra.cc.ca.us/Booth/Physical/chp13_earth/crust_composition.gif

Elements in the living beings/Elementos en los seres vivosThe chemical elementsforming living beings are called bioelements. Their proportions in those are different.

Carbon, hydrogen andnitrogen form 95% ofall living beings.

Atoms of carboncombine with manyother atoms to form a wide variety ofmolecules in living beings (carbohydrates, proteins, lipids, nucleicacids)

Los elementos químicos que forman los seres vivos se llaman bioelementos. Sus proporciones en aquellos son diferentes.

El carbono, hidrógeno ynitrógeno forman el 95% de todos los seres vivos.

Los átomos de carbono se combinan con otros átomos para formar una gran variedad de moléculas en los seres vivos (carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos).

Other elements/Otros elementosIn Sea Water

- Chlorine. It is a gas thatcombines with metals to formsalts.

- Sodium. It is a metal. It formssodium chloride, that is thecommon salt.

- Potassium. It is an other metal. It can be found in potassiumchloride.

- Calcium. It is a metal present in many solved salts: sulphates andcarbonates. It is also present in the shells of manjy invertebratesand in the innner skeleton ofvertebrates.

En el agua del mar

- Cloro. Es un gas que se combina con metales para formar sales.

- Sodio. Metal que forma el cloruro sódico, esto es, la sal común.

- Potasio. Otro metal. Forma el cloruro de potasio

- Calcio. Metal presente en muchas sales disueltas: sulfatos y carbonatos. Está presente también formando los caparazones de invertebrados y el esqueleto interno de los vertebrados.

Atoms, molecules and crystalsÁtomos, moléculas y cristales

It is huge the number of substances wecan find around us, but all of them are made up of different combinations of thedescribed chemical elements. Whenatoms are combined, they can produce molecules or, even, crystals.1. Molecules are groups of atoms. Theseatoms might be the same or not. Forexample: O2 is a molecule of oxygen withonly two atoms of this element, but H2O isan other molecule with three atoms: twoof hydrogen and one of oxygen.2. In the case of crystals, the number ofatoms in combination may be higher, andthey are strictly ordered in fixed positions.

Es enorme el número de substancias que podemos encontrar a nuestro alrededor, pero todas ellas están formadas por diferentes combinaciones de los elementos químicos descritos. Cuando los átomos se combinan, pueden producir moléculas o, incluso, cristales.1. Las moléculas son grupos de átomos. Estos átomos pueden o no ser los mismos. Por ejemplo: El O2 es una molécula de oxígeno con sólo dos átomos de este elemento, pero H2O es otr molécula con tres átomos: dos de hidrógeno y uno de oxígeno2. En los cristales, el número de átomos en combinación puede ser mayor, y esto están en posiciones estrictamente ordenadas y fijas.

Different types of molecules

An example of a crystal. Atomicrepresentation of sodium chloride or tablesalt. This compound forms in nature as a highly ordered, three-dimensional networkof oppositely charged ions. The bonds thatform between the sodium (Na+) and (Cl-) chloride ions give this compound greatinternal strength allowing it to form largecrystals.

Pictures from: http://www.physicalgeography.net/fundamentals/

6a.html

Formulae/FórmulasIf we use symbols to recognizechemical elements (O: oxygen; H: hydrogen; Fe: Iron; Ag: Silver, etc.), we must to use formulae to recognizemolecules.A chemical formula consists ofchemical symbols and numbersto indicate how many atoms ofeach element make up a molecule. There are differenttypes of formulae and theydepend of the moleculerepresented:

Si usamos símbolos para reconocer elementos químicos (O: oxígeno; H: hidrógeno; Fe: hierro; Ag: plata, etc.), debemos usar fórmulas para reconocer moléculas.Una fórmula química consiste en símbolos químicos y números que indican cuántos átomos de cada elemento hay en una molécula. Hay diferentes tipos de fórmulas y dependen de la molécula representada:

Types of formulae/Tipos de fórmulas• Simple substances. In

this case there are onlya class of element: N2 isthe formula for thesubstance withmolecules made up oftwo nitrogen atomsjoined together.

• Compoundsubstances. Theformula indicates whichelements make up themolecule. In the case ofthe carbon dioxide, CO2, it consists of one atomof carbon joined to twoatoms of oxygen.

• Substancias simples. En este caso sólo hay una clase de elemento: N2 es la fórmula de la substancia con moléculas formadas por dos átomos de nitrógeno unidos entre sí.

• Substancias compuestas. La fórmula indica qué elementos forman una molécula. In el caso del dióxido de carbono, CO2, consiste en un átomo de carbono unido a dos de oxígeno.

Pictures from: http://www.windows.ucar.edu/physical_science/chemistry/n2_molecule_sm.gif

The case of crystals/El caso de los cristalesCrystals. Some elements formsimple crystals. In this case, thechemical formula is the same as for the chemical symbol for theelement. For example, carboncrystals in diamonds, C.Compound crystals. Thechemical formula indicates theelements and their proportionswhitin the crystal. For commonsalt is very easy, NaCl, but in many other cases this is more complicated: Na2SO4, CaCO3, etc.

Cristales. Algunos elementos forman cristales simples. En este caso, la fórmula química es la misma que el símbolo químico del elemento. Por ejemplo, los cristales de carbono en los diamantes, C.Cristales compuestos. La fórmula química indica los elementos y sus proporciones dentro del cristal- Para la sal común, NaCl, es muy fácil, pero en muchas otras ocasiones es más complicado: Na2SO4, CaCO3, etc.