TEMA 2: DIVERSIDAD DE LA MATERIA.

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1 TEMA 2: DIVERSIDAD DE LA MATERIA. 1.- MATERIA Y SISTEMAS MATERIALES: PROPIEDADES Y ESTADOS. (Pág 30-31) QUÉ ES LA MATERIA? (Pág 30) La Física y la Química son dos ejemplos de ciencias de la naturaleza o experimentales. Se les llama ciencias experimentales porque todas ellas utilizan para su desarrollo el método científico, en el que hemos visto que la experimentación es una de sus etapas fundamentales. También se les llama ciencias de la Naturaleza porque se encargan del estudio de la Naturaleza y de cuanto acontece en ella. Como todo lo que hay en la Naturaleza y, en general, en el Universo está hecho de materia, se puede decir que la materia es todo lo que nos rodea, o que la materia está presente en todo lo que hay a nuestro alrededor. Y según esta definición de materia, podemos afirmar que las ciencias experimentales se encargan del estudio de la materia y de sus transformaciones SISTEMAS MATERIALES. (Pág 31) Ninguna de las ciencias experimentales puede abordar el estudio de la Naturaleza (o de la materia) como un todo, y por ello se centran en estudiar diferentes trozos o porciones del Universo a los que denominamos sistemas materiales (también es frecuente llamarlos objetos o cuerpos aunque sólo si son sólidos). Un sistema material es cualquier trozo o porción del Universo que separamos del resto porque nos interesa estudiarlo. Todo sistema material tiene que tener masa y volumen, es decir, debe contener materia y ocupar un espacio dentro del Universo, respectivamente PROPIEDADES DE LOS SISTEMAS MATERIALES. (Pág 30, muy escaso) El estudio de los diferentes sistemas materiales se hace a través de las propiedades que poseen. Cada sistema material tiene multitud de propiedades, que se pueden clasificar de varias formas diferentes: a) Una primera clasificación divide a las propiedades según sean comunes a todos los sistemas materiales o propias de un solo sistema material, distinguiendo entre: i. Propiedades generales: aquellas que son comunes a todos los sistemas, por lo que no permiten identificar el sistema material en cuestión. Ejemplos: masa, volumen, temperatura, etc. ii. Propiedades específicas o características: que no son comunes a todos los sistemas materiales, es decir, propias de cada sistema, propiedades que lo definen, y que nos permiten determinar de qué sistema material hablamos y distinguirlo o diferenciarlo de otros sistemas. Ejemplos: densidad, punto de fusión, punto de ebullición, composición, etc. b) Si utilizamos como criterio la medida, las propiedades de los sistemas materiales se dividen en: i. Cualidades: aquellas propiedades que no se pueden medir ni cuantificar, es decir, no se les puede asignar un valor numérico. Ejemplos: belleza, simpatía, bondad, color, etc. ii. Magnitudes: las que sí se pueden medir, cuantificar o calcular y por tanto darles un valor numérico. Ejemplos: masa, longitud, tiempo, fuerza, velocidad, etc. La importancia de estas últimas es fundamental ya que la Física trabaja exclusivamente con magnitudes y en el caso de la Química prácticamente todas. Por ello, las magnitudes que se utilizan para estudiar los sistemas materiales las vamos a clasificar a su vez en: i. Magnitudes extensivas: Son aquellas magnitudes cuyo valor numérico depende del tamaño del sistema material considerado, de modo que a doble, triple, tamaño, los valores de estas magnitudes también se duplican, triplican, respectivamente. Como ejemplos tenemos: la masa, el volumen, la energía, el peso, capacidad calorífica, etc. ii. Magnitudes intensivas: Son aquellas cuyos valores no dependen de la cantidad de material o tamaño del sistema, pues no varían al considerar diferentes porciones de un mismo sistema material. Ejemplos : la densidad, temperatura, presión, puntos de fusión o ebullición, conductividad eléctrica, etc. 1

2 En la práctica para distinguir si una magnitud es extensiva o intensiva basta dividir el sistema material y preguntarse por los valores de las magnitudes del sistema total y de cada uno de los trozos en los que lo hemos subdividido. Cuando las magnitudes son extensivas, cada trozo del sistema tiene un valor y al sumarlos nos da el valor total de la magnitud. En el caso de magnitudes intensivas cada trozo del sistema tiene el mismo valor y además es idéntico al del sistema total. m V T d Dividir el sistema en dos. m 1 V 1 T 1 d 1 m 2 V 2 T 2 d 2 Masa Volumen Temperatura Densidad m 1 + m 2 = m (extensiva) V 1 + V 2 = V (extensiva) T 1 = T 2 = T (intensiva) d 1 + d 2 = d (intensiva) Las magnitudes extensivas son aditivas. Las magnitudes intensivas no se suman. Hay que decir que las diferentes clasificaciones que acabamos de ver son complementarias con lo que cualquier propiedad debe clasificarse utilizando todas ellas. Así, por ejemplo, propiedades como la masa o el volumen son generales y a la vez magnitudes extensivas. La temperatura es propiedad general y magnitud intensiva. El color es una cualidad característica de cada sistema. La densidad es una propiedad específica y magnitud intensiva. Nota importante: Es muy frecuente confundir el sistema material con las propiedades que posee e incluso con el fenómeno que se produce en él, cuando realmente son cosas muy diferentes: el sistema siempre es un trozo de materia, las propiedades son sus características y el fenómeno siempre es algo que le ocurre a ese sistema. De igual modo también es muy frecuente confundir una magnitud con alguna de las unidades de medida en las que puede medirse y a veces, incluso, con el instrumento de medida empleado. No debemos hacerlo pues también son cosas muy distintas: una magnitud siempre es una propiedad medible de un sistema, las unidades de medida son los distintos patrones que puedo utilizar para medir esa propiedad y el instrumento de medida es el aparato utilizado en la medición. Por último, decir que debemos distinguir tres aspectos de las magnitudes que no siempre coinciden: su definición (decir qué es), su significado físico y cómo se calcula ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA. (Pág 31) Los sistemas materiales que vamos a estudiar van a estar en alguno de los tres estados en los que se suele presentar la materia: sólido, líquido o gaseoso. Dado que las propiedades de los sistemas materiales nos permiten su estudio, para diferenciar entre estos tres estados de agregación basta acudir a dos de estas propiedades: la forma y el volumen. ESTADO Tienen FORMA fija o propia? Tienen VOLUMEN fijo o propio? SÓLIDO SÍ SÍ LÍQUIDO NO SÍ GASEOSO NO NO Las características estructurales que permiten explicar estas propiedades (y otras muchas) de los estados de agregación son las siguientes: En los sólidos, las partículas se encuentran en contacto, vibrando respecto de posiciones fijas tanto más cuanto mayor es su temperatura (1). En los líquidos, las partículas también están en contacto entre sí y moviéndose, en este caso por todo el líquido (no en posiciones fijas) chocando unas con otras. (1)- Recordad que la temperatura de un sistema material mide el estado de agitación o energía cinética media de las partículas que lo forman. Cuanto mayor es la temperatura mayor es la agitación y la velocidad a la que se mueven estas partículas. 2 En los gases, en cambio, las partículas, se encuentran a enormes distancias unas de otras comparadas con su tamaño, moviéndose por todo el volumen del recipiente que los contiene y chocando entre ellas y con las paredes del recipiente.

3 La forma en la que están organizadas estas partículas es fundamental a la hora de entender estas características comunes a todos los sólidos, líquidos o gases: Como en los sólidos las partículas ocupan posiciones fijas (a pesar de estar vibrando según su temperatura) dan lugar a que tengan una forma fija y constante en el tiempo. Por este motivo se dice que los sólidos no pueden fluir. Además, por estar las partículas en contacto unas con otras, tienen volumen propio y no se pueden comprimir fácilmente. Los líquidos, no tienen forma propia puesto que siempre adoptan la forma del recipiente que los aloja, debido a que sus partículas pueden cambiar de posición y moverse por todo el seno del fluido, pero manteniendo su propio volumen, porque al estar en contacto sus partículas resultan difíciles de comprimir y su volumen permanece prácticamente constante. Los gases, carecen tanto de forma como de volumen propios: adoptan la forma del recipiente que los contiene y ocupan todo el volumen disponible. Esto se debe a que las partículas se mueven libremente por todo el recipiente a grandes distancias unas de otras aunque pueden chocar entre ellas y con las paredes del recipiente. Estos choques entre partículas hacen que tiendan a alejarse unas de otras (se dice que los gases tienen a expandirse ocupando todo el volumen del recipiente, que debe estar cerrado para que el gas no escape). Precisamente estos grandes espacios vacíos entre sus partículas hace que los gases se puedan comprimir fácilmente y sean mucho menos densos (más ligeros) que sólidos y líquidos. Además hay que destacar que: Como en sólidos y líquidos sus partículas están en contacto unas con otras, su volumen no puede disminuir más ya que apenas dejan huecos y por ello tienen volumen fijo o propio, ya que permanece prácticamente constante al aplicar presión sobre ellos: se dice que son incompresibles. Este mismo motivo hace que sólidos y líquidos sean los estados condensados de la materia o estados con alta densidad: al haber muchas partículas en la unidad de volumen considerado (por estar en contacto unas con otras), hay mucha masa en ese volumen, y la densidad, la relación entre la masa y el volumen, será elevada. Las partículas en líquidos y gases no ocupan posiciones fijas lo cual hace que tengan forma variable (no propia), adoptando siempre la forma del recipiente que los contiene. Por ello a los líquidos y gases se les llama fluidos debido a que sus partículas pueden fluir ( correr ). Contrariamente a lo que expresa algunos autores (Y VUESTRO LIBRO), los sistemas materiales no se pueden clasificar según su estado de agregación pues cualquier sustancia puede estar en estos tres estados dependiendo de las condiciones de presión y sobre todo de temperatura a la que se encuentre (si bien es cierto que por las condiciones climáticas de nuestro planeta, el agua es casi la única sustancia que podemos encontrar de modo natural en los tres estados). Esto significa que cambiando las condiciones de presión y de temperatura podemos pasar de un estado de agregación a otro diferente, dando lugar a los procesos de cambios de estado. Sublimación Fusión Vaporización SÓLIDO (T f ) LÍQUIDO (T e ) GASEOSO Solidificación Licuefacción / Condensación Sublimación inversa / Condensación directa a sólido Nota importante: Los procesos de cambio de estado hacia la derecha requieren dar energía, mientras que los que van hacia la izquierda ocurren al quitar energía en forma de calor. De modo general podemos decir que al enfriar tendemos a desplazarnos hacia la izquierda en el diagrama, o lo que es lo mismo, favorecemos el estado sólido mientras que al calentar favorecemos el estado gaseoso. A pesar de ello, los procesos de cambio de estado son isotérmicos, es decir, ocurren a temperatura constante, definiéndose la temperatura de fusión (T f ) y la temperatura de ebullición (T e ) como las temperaturas de cambio de estado sólido-líquido en el primer caso y líquido-gas en el segundo. Cualquier sistema material tiene una temperatura que habitualmente coincide con la temperatura ambiente (T amb ), de modo que un sistema estará en estado sólido si su temperatura es inferior a la de fusión (T amb < T f ), en entado líquido si su temperatura está comprendida entre las temperaturas de fusión y ebullición (T f < T amb < T e ) y en estado gaseoso si la temperatura del sistema es superior a la temperatura de ebullición (T amb > T e ). 3

4 Por último hay que destacar que, aunque vamos a estudiar los sistemas materiales, es frecuente que las ciencias experimentales se interesen más por los cambios que se producen en ellos. Estos cambios (que en ciencia se les denomina genéricamente fenómenos naturales) pueden ser de dos tipos: Fenómenos físicos: son los cambios que modifican alguna o algunas de las propiedades del sistema material pero sin que se altere su naturaleza o identidad (su composición). Fenómenos químicos: son aquellos cambios o transformaciones que sí afectan a la naturaleza o composición del sistema material, dando origen a otras sustancias con otras propiedades. Hay que hacer varias observaciones: La palabra fenómeno, en ciencia, hace referencia a cualquier cambio, proceso o transformación que puede sufrir la materia. Para distinguir desde el punto de vista práctico si un fenómeno es de tipo físico o químico, basta hacerse la siguiente pregunta: Qué tengo antes y después del proceso? Si la respuesta es lo mismo, tiene la misma composición o está hecho del mismo material, aunque haya cambiado alguna otra propiedad el fenómeno es de tipo físico. En caso contrario el fenómeno es de tipo químico. 2.- CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MATERIALES. (Pág 32 a 36) La gran diversidad de sistemas materiales y la multitud de formas en la que se nos pueden presentar hacen necesaria una clasificación para facilitar su estudio. Aunque hay muchas formas de clasificar los sistemas materiales, nosotros vamos a ver solamente dos que se basan en su aspecto y a su composición CLASIFICACIÓN DE LOS SITEMAS MATERIALES SEGÚN SU ASPECTO. (Pág 32) Esta clasificación utiliza los ojos como herramienta para diferenciar los sistemas materiales. Se trata por tanto de un criterio visual que clasifica a los sistemas materiales en: Sistemas heterogéneos: aquellos que no presentan un aspecto uniforme en todos sus puntos. Los sistemas heterogéneos siempre están formados por varios componentes que se distingue a simple vista y que no se reparten uniformemente por todo el sistema, por lo que estos sistemas no tienen las mismas propiedades en todos sus puntos. Sistemas homogéneos: aquellos que presentan el mismo aspecto en todos sus puntos. Estos sistemas tienen la misma composición y propiedades en todos sus puntos porque o bien están formados por una única sustancia, o bien están formadas por varias sustancias pero uniformemente distribuidas de modo que no se distinguen a simple vista CLASIFICACIÓN DE LOS SITEMAS MATERIALES SEGÚN SU COMPOSICIÓN. (Pág 32 a 35) Cuando hablamos de composición de un sistema material a la hora de clasificarlo nos estamos refiriendo a de qué está hecho. Utilizando la composición como criterio de clasificación, los sistemas materiales pueden ser: Sustancia pura: sistema material formado por un solo tipo de materia. Cada sustancia se caracteriza por tener una composición y propiedades específicas propias, diferentes a las de otras sustancias y que permanecen invariables en el tiempo. Las sustancias puras no se pueden descomponer en otras mediante procedimientos físicos. Sustancia simple o elemental: sustancia que no se puede descomponer en otras más sencillas por procedimientos físicos o químicos. Cada una de estas sustancias está constituida por átomos de un mismo elemento químico. Ejemplos oro, cobre, plata, hierro, aluminio, mercurio, oxígeno, nitrógeno, cloro, etc. Sustancia compuesta o compuesto: sustancia pura que se puede des- descomponer mediante procedimientos químicos en las sustancias simples que lo constituyen. Los compuestos están formados por dos o más elementos que se combinan químicamente para formar una sola sustancia, y por ello es posible obtener los elementos de lo forman, aunque en este caso solo mediante una reacción química. Ejemplos agua, dióxido de carbono, metano, ácido sulfúrico, amoniaco, etc. Mezcla: cualquier sistema material formado por varias sustancias que no reaccionan químicamente entre sí. Las mezclas se caracterizan porque las sustancias que componen la mezcla conservan sus propiedades y se pueden separar mediante procedimientos físicos (métodos de separación de mezclas). Como la proporción de las sustancias que forman una mezcla puede variar, las mezclas no tienen composición ni propiedades fijas o propias. Disolución: mezcla homogénea en la que no se distinguen las sustancias que la componen por estar uniformemente repartidas por todo el sistema material, de modo que tienen la misma composición y propiedades en todos sus puntos. Ejemplos aire, agua y alcohol, agua salada, gasolina, etc Mezcla heterogénea: sistema material que presenta distintas propiedades en diferentes puntos debido a que las sustancias que forman estas mezclas no se reparten por igual en todo el sistema. Por ello ahora sí que se distinguen los componentes. Ejemplos ensalada, agua y aceite, agua y arena, etc. 4

5 Es importante destacar de las definiciones anteriores lo siguiente: En cuanto a las sustancias puras: 1. Cualquier sustancia pura no puede descomponerse por procedimientos físicos y tiene una composición y propiedades específicas fijas propias que la caracterizan y que la diferencian de las demás. Además, las sustancias puras forman sistemas homogéneos ya que al estar hechas de un solo tipo de materia presentan aspecto uniforme, (salvo si una misma sustancia está en dos estados de agregación distintos como la mezcla agua-hielo). 2. Los compuestos (como cualquier otra sustancia pura) están formados por una sola sustancia y tienen una composición y propiedades características constantes. A pesar de estar hechos de una sola sustancia (un único tipo de materia), pueden descomponer mediante procedimientos químicos en otras sustancias puras más sencillas y de ahí el nombre de compuestos. Esto se debe a que están formados por dos o más elementos químicos diferentes aunque siempre en la misma proporción. Al combinarse de este modo, cada elemento que forma el compuesto pierde sus propiedades para dar lugar a una nueva sustancia (pura) con nueva composición y propiedades. De cualquier compuesto puedo obtener los elementos que lo forman mediante métodos químicos de descomposición. En cuanto a las mezclas: 1. Las mezclas, a diferencia de las sustancias puras, no tienen composición ni propiedades fijas. Esto es debido a que cualquier mezcla puede prepararse agregando diferentes cantidades de las sustancias que componen la mezcla. Puesto que la composición de las mezclas varía al agregar más o menos cantidad de las sustancias que la forman, también cambian las propiedades de la mezcla en su conjunto, aunque cada sustancia de la mezcla conserva sus propiedades. Nota: El hecho de que las mezclas no tengan ni composición ni propiedades fijas o características es determinante a la hora de distinguir las disoluciones de las sustancias puras. Recordad que las disoluciones, mezclas homogéneas, están formadas por dos o más sustancias, aunque no sea capaz de distinguirlas, con lo que podría considerar que se trata de una única sustancia. 2. Las sustancias que componen una mezcla siempre conservan sus propiedades, es decir, no modifican su naturaleza ni sus propiedades por el hecho de estar mezcladas. Esto exige que las sustancias que forman parte de la mezcla no reaccionen químicamente entre ellas. Nota: Que cada una de las sustancias que forman la mezcla conserve las propiedades que tienen cuando están aisladas es fundamental a la hora de separa los componentes de una mezcla CÓMO DETERMINAR EL TIPO DE SITEMA MATERIAL QUE PRETENDO ESTUDIAR? (Pág 33 a 36) La clasificación de los sistemas materiales basada en la composición es muy útil desde el punto de vista químico pero, dado que la composición no es algo que pueda conocer a simple vista, cómo puedo saber de qué tipo es el sistema material que trato de estudiar? Es evidente que cuando distingo varios componentes en un mismo sistema material se trata de una mezcla heterogénea de varias sustancias (o de una sola en dos estados de agregación distintos). La dificultad para diferenciar el tipo de sistema material está en los sistemas homogéneos, porque no es posible saber, a priori, si están formados por una única sustancia o por varias, como ocurre en el caso de las disoluciones; y es que los sistemas homogéneos, a pesar de su aspecto uniforme pueden contener más de una sustancia (sirva como ejemplo la mezcla agua-alcohol o incluso el aire). La primera dificultad radica en saber si un sistema material homogéneo está constituido por uno o más componentes, es decir, si se trata de una sustancia pura o de una disolución. Para distinguir entre una sustancia pura y una disolución son posibles dos estrategias distintas: 1. Aplicar procedimientos físicos de separación. Si es posible descomponer el sistema por alguno de estos métodos, se trata de una disolución. En caso contrario se trata de una sustancia pura. 2. Provocar un cambio de estado y estudiar el comportamiento del sistema durante el cambio de estado. Como las sustancias puras tienen propiedades específicas propias y fijas para cada sustancia, algunas de estas propiedades como la temperatura de fusión o de ebullición, o la densidad, no varían durante el cambio de estado. En el caso de las disoluciones estas propiedades van cambiando a medida que cambia de estado de alguno de sus componentes. 5

6 Una vez que sabemos que mi sistema homogéneo tiene un solo componente (estamos ante una sustancia pura), la segunda dificultad está en saber si se trata de una sustancia simple o compuesta. Para ello es necesario practicar una reacción química al objeto de obtener sustancias puras más sencillas. Si conseguimos descomponer esta sustancia por métodos químicos estamos ante un compuesto y si esta descomposición no es posible se trata de una sustancia simple. Entonces el procedimiento para determinar el tipo de sistema material que se pretende estudiar se puede resumir en estos tres pasos: SISTEMA MATERIAL 1. Se distinguen los componentes a simple vista? SÍ Sistema material heterogéneo NO Sistema material homogéneo MEZCLA HETEROGÉNEA SUSTANCIA PURA O DISOLUCIÓN 2. Se pueden separar los componentes por procedimientos físicos? SÍ MEZCLA HOMOGÉNEA O DISOLUCIÓN NO SUSTANCIA PURA SIMPLE O COMPUESTA Aplicando métodos físicos de separación Sustancias puras que constituyen la mezcla. 3. Se pueden separar los componentes por procedimientos químicos? SÍ COMPUESTO Formado por varios elementos De los compuestos puedo obtener los elementos que lo constituyen por procedimientos químicos. NO SUSTANCIA SIMPLE Formada por un único elemento 3.- MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS. (Pág 37 y 44) Ya sabemos que las mezclas son sistemas materiales formados por más de una sustancia y que las sustancias en la mezcla conservan las propiedades características que tienen cada una de ellas por separado, lo cual se puede aprovechar para separar estas sustancias. Dado que el proceso de mezcla es un fenómeno de tipo físico, ya que ninguna de las sustancias de la mezcla pierde su identidad (no hay transformación de unas sustancias en otras nuevas con diferentes propiedades), cualquier proceso que me permita obtener estas sustancias a partir de la mezcla será también de tipo físico y se denomina genéricamente método de separación. Un método de separación es cualquier técnica o procedimiento físico que permite separar los componentes de una mezcla, basándose en la diferencia en alguna propiedad característica de las sustancias que la forman. Como las mezclas pueden ser homogéneas y heterogéneas, vamos a distinguir entre los métodos de separación de mezclas heterogéneas y los métodos de separación de disoluciones (mezclas homogéneas) MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS HETEROGÉNEAS (Pág 37) Es lógico pensar que estas técnicas serán bastante sencillas puesto que en este caso los componentes se distinguen a simple vista. Algunos procedimientos físicos utilizados para separar las sustancias que forman una mezcla heterogénea son: 6

7 1.- Tamización o Cribado: técnica utilizada para separar dos sólidos de diferente tamaño de partícula usando un tamiz o criba, como por ejemplo para la mezcla de arena y grava. El tamiz se caracteriza por un tamaño de poro que retiene los sólidos de mayor tamaño y deja pasar los de tamaño inferior. 2.- Filtración: se utiliza para separar un líquido de un sólido insoluble (que no se disuelve en el líquido), mediante el uso de un filtro. Esta técnica sirve por ejemplo para la mezcla de agua y arena, Con ayuda de un embudo sobre el que colocamos el filtro, vertemos el contenido de la mezcla de modo que el líquido es capaz de atravesar el filtro y se recoge en un vaso, mientras que el sólido se deposita en el filtro. Este método también está basado en el diferente tamaño de partícula que tienen las sustancias que forman la mezcla. Nota: el sólido debe ser insoluble pues en caso contrario se disuelve en el líquido y estaríamos ante una disolución, cuyos componentes no se pueden separar por filtración por tener un tamaño de partícula muy pequeño. Embudo de decantación Aceite Agua Tubo estrecho de goteo 3.- Decantación: es el método utilizado para separar dos líquidos inmiscibles (que no se mezclan o disuelven el uno en el otro) y que tienen distinta densidad, utilizando para ello un embudo de decantación. El ejemplo típico es la mezcla de agua y aceite. Este embudo se caracteriza por tener una llave de paso en el fondo. Cuando la mezcla de ambos líquidos se vierte y se deja reposar para que las sustancias se separen, la más densa se queda en el fondo y la menos densa encima. Abriendo la llave pasa el líquido más denso hasta que se cierra para que no pase el otro líquido. Este método se basa en la diferente polaridad necesaria para que no se mezclen ambos líquidos y en su diferencia de densidades. Nota: para que la mezcla de dos líquidos sea heterogénea es necesario que no sea miscibles para que no formen una disolución de modo que no podrían separarse mediante esta técnica. 4.- Imantación: que se utilizada para separar sustancias sólidas magnéticas (que son atraídas por un imán) de otras que no lo son, empleando un imán. A este método de separación magnética se basa en las propiedades magnéticas que tengan alguna/s de las sustancias que forman esta mezcla. Un ejemplo al que se le puede aplicar esta técnica es la mezcla formada por limaduras de hierro y polvo de azufre MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE DISOLUCIONES (Pág 44) Aunque los componentes de las disoluciones no se distinguen a simple vista, las sustancias que forman estas mezclas homogéneas se pueden separar pues conservan sus propiedades características propias. Algunos métodos utilizados para separar las sustancias que forman disoluciones son: 1.- Evaporación-cristalización: técnica utilizada para separar un sólido disuelto en un líquido, por ejemplo para la mezcla agua y sal. Para ello basta calentar la disolución hasta evaporar todo el disolvente quedando depositado en el fondo y en las paredes del recipiente el sólido en forma de cristales. Este método de separación se basa en los diferentes puntos de ebullición que tienen el sólido y el líquido que forman la disolución: el líquido se evapora y el sólido se queda en el recipiente. Se suele hablar de cristalización a secas, para una variante de este método que consiste en calentar la disolución hasta evaporar gran parte del disolvente, aunque no todo, con el fin de concentrar la disolución lo suficiente como para que al enfriarla se formen cristales del sólido que estaba disuelto. Es frecuente que antes de dejar enfriar la disolución se filtre para eliminar posibles impurezas. Esta técnica se usa cuando interesa que se formen buenos cristales y se basa en que la solubilidad de los sólidos en los líquidos disminuye con la temperatura (casi siempre) 7

8 2.- Destilación simple: esta técnica se utiliza para separar una disolución formada normalmente por dos líquidos de diferentes puntos de ebullición. Para ello se calienta la disolución en un matraz hasta que el líquido más volátil (el que se evapora con más facilidad por tener menor punto de ebullición) se evapora por completo y queda en el matraz el menos volátil. La parte de la disolución evaporada se hace pasar por un tubo refrigerante para enfriarla y devolverla al estado líquido y se recoge. El destilado recogido, si aún contiene algo del componente menos volátil, se puede volver a destilar. Este método de separación se basa en los diferentes puntos de ebullición que tienen que tener los líquidos que forman la disolución. 3.- Extracción líquido-líquido o extracción con disolventes: técnica utilizada para separar algún componente de una mezcla mediante el empleo de un disolvente. El disolvente utilizado tiene que cumplir dos requisitos: que la sustancia que quiero separar sea más soluble en él que en el disolvente donde se encuentra inicialmente y que sea inmiscible con este primer disolvente. Un ejemplo de aplicación de esta técnica es la mezcla de agua y bromo a la que adiciono tetracloruro de carbono, que es un líquido en el que el bromo es más soluble que en agua pero que no se mezcla con agua. Al adicionar a la mezcla este disolvente y agitar, el bromo pasa al tetracloruro de carbono y como no se mezcla con el agua tengo dos líquidos inmiscibles que puedo separar con un embudo de decantación. Este método de separación se basa en la diferente solubilidad del componente que quiero extraer en dos líquidos inmiscibles. 4.- LA MÉTODOS QUÍMICOS DE SEPARACIÓN. (Pág 34 y 35) Ya sabemos que los compuestos son sustancias puras que pueden descomponerse en otras sustancias más simples aunque solamente por procedimientos químicos. Estos métodos químicos que permiten obtener de los compuestos las sustancias simples que lo forman se diferencian de los métodos de separación de mezclas en que: - Los métodos químicos de separación son técnicas que se aplican a los compuestos, mientras que los métodos de separación vistos en el punto anterior se aplican a las mezclas ya sean heterogéneas o disoluciones. - Como su nombre indica, estos métodos químicos de separación son procedimientos de tipo químico que aplicadas sobre un compuesto permiten obtener otras sustancias puras nuevas, más sencillas y con distintas propiedades que las que tiene la sustancia compleja de partida. En cambio, los métodos de separación de mezclas permiten separar las sustancias que se encuentran en la mezcla, pero no otras nuevas de distinta composición y propiedades y por ello son procedimientos de tipo físico. Al aplicar métodos de separación de tipo químico, la sustancia compuesta de partida desaparece y aparecen otras sustancias diferentes. Estos procesos transcurren siempre mediante una reacción química, lo que hace que generalmente sean más complejos que cualquier método de separación de mezclas. Aún así, hay varios métodos químicos muy sencillos de aplicar como son: 1.- Electrolisis: proceso químico que consiste en descomponer una sustancia compuesta en los elementos que la forman, o en otras sustancias más sencillas, mediante la corriente eléctrica. Así por ejemplo, si aplicamos este procedimiento al agua se obtienen dos sustancias gaseosas diferentes, el hidrógeno y el oxígeno, que tienen propiedades distintas a las del agua. 2.- Descomposición térmica: es una transformación química que sufren algunas sustancias al calentarlas. Así por ejemplo, el azúcar, cuando se calienta a una temperatura cercana a los 200ºC deja de ser azúcar y se convierte en caramelo. 3.- Descomposición por la luz: la luz también es capaz de provocar la descomposición de algunas sustancias compuestas, como el cloruro de plata, una sal de color blanco y de aspecto parecido a nuestra sal de mesa, pero que pierde sus propiedades al incidir la luz sobre ella transformándose en cloro gaseoso y plata. 8

9 5.- LA COMPOSICIÓN: DEFINICIÓN Y CÁLCULO. (Pág 37 y 44) La composición es una propiedad muy importante de la materia. Gracias a ella hemos clasificado los sistemas materiales en sustancias puras o mezclas. También basándonos en la composición podemos considerar que las transformaciones que puede experimentar la materia son de dos tipos: fenómenos físicos (cambios que no afectan a la composición del sistema material) y de fenómenos químicos (cuando estos cambios sí alteran la composición del sistema). Ya veremos además, que la composición determina en gran medida el resto de propiedades que presentan los sistemas materiales. Se pueden considerar dos aspectos o aproximaciones a la composición: - Cualitativamente la composición informa sobre de qué está hecha la materia. - Cuantitativamente la composición mide la cantidad de masa o de volumen de un componente que hay presente en cada unidad de masa o de volumen del sistema material en estudio. Esto último es a la vez, la definición y el significado físico de esta magnitud: cuánto hay de cada componente en cada unidad de la muestra. Según la definición que se acaba de dar, las expresiones que permiten calcular la composición en masa y en volumen son respectivamente: Composición en masa de A Masa del componente A Masa total del sistema Composición en volumen de A = = Volumen del componente A Volumen total del sistema A partir de estas expresiones es muy fácil comprobar que la composición: - se puede definir para cualquier componente que forme el sistema material que estudio, - así definida, es un número adimensional (sin unidad), ya que las masas del componente y del sistema total, (o los volúmenes del componente y total del sistema) deben expresarse en la misma unidad por lo que se cancelan. - este número está comprendido entre cero y uno, puesto que los numeradores de estas expresiones son menores que los denominadores, pero si sumamos las composiciones de todos los componentes que constituyen el sistema, el resultado siempre vale 1. - expresa el tanto por uno de cada componente en la muestra, es decir, cuánto hay de cada componente en una unidad de masa o de volumen del sistema material. Nota: aunque las composiciones másica y volúmica no coinciden numéricamente, se suele hablar de composición a secas, entendiéndose con ello siempre la composición en masa, salvo que el sistema material sea una mezcla gaseosa en cuyo caso por composición debemos entender la composición en volumen. Para evitar trabajar con números decimales inferiores a la unidad se define de forma análoga la composición centesimal o composición porcentual, como la cantidad que de cada componente hay en cien unidades de masa o volumen del sistema, es decir, la composición expresada en tanto por ciento. Por ello se suele hablar de tanto por ciento en masa y de tanto por ciento en volumen (o incluso porcentaje en masa y porcentaje en volumen) % en masa de A Masa del componente A Masa total del sistema % en volumen de A De la misma manera podemos decir para la composición centesimal que: - se puede definir para cada componente que forme el sistema material. Volumen del componente A Volumen total del sistema = 100 = por ser un porcentaje el resultado tampoco tiene unidades, aunque en este caso es necesario que tras el número aparezca el símbolo %, para indicar que se trata de un tanto por ciento e evite confundirla con la composición expresada en tanto por uno. - toma valores comprendidos entre cero y cien, ya que nos expresa el tanto por ciento de cada componente, con lo que la suma de todas las composiciones centesimales de los componentes que constituyen el sistema es siempre el cien por cien. 9

10 6.- LAS DISOLUCIONES. (Pág 38 y 45) Las disoluciones son unos sistemas materiales de especial interés, y por ello las vamos a estudiar en este tema QUÉ ES UNA DISOLUCIÓN? (Pág 38) Ya sabemos que una disolución es una mezcla homogénea, formada por dos o más sustancias puras combinadas en una proporción variable. Estas sustancias no se distinguen a simple vista por estar uniformemente repartidas por todo el sistema y por ello las disoluciones son sistemas materiales homogéneos, presentando el mismo aspecto y propiedades en todos sus puntos. Además sabemos que estas sustancias que forman las disoluciones no reaccionan químicamente entre ellas, lo que determina las dos propiedades fundamentales de las disoluciones: - las sustancias se pueden combinar en distintas proporciones dando lugar a sistemas homogéneos de composición variable lo que las diferencia de las sustancias puras, - cada sustancia que compone la disolución conserva sus propiedades características, lo que nos permite separarlas por procedimientos físicos COMPONENTES DE LAS DISOLUCIONES (Pág 38) Todas las disoluciones están formadas al menos por dos componentes que genéricamente vamos a denominar soluto y disolvente: - Soluto: es la sustancia (o sustancias ya que pueden ser más de una) que se distribuye uniformemente por el disolvente. Normalmente es la sustancia que está en menor cantidad. - Disolvente: es la sustancia en la que se reparte el soluto (o los solutos si hay más de uno). El disolvente siempre está en el mismo estado de agregación que la disolución y suele ser el componente que se encuentra en mayor proporción TIPOS DE DISOLUCIONES (Pág 38) Dependiendo del número de componentes que forman la disolución, estas pueden ser binarias (si están formadas por dos sustancias), ternarias (si están formadas por tres sustancias), etc Nosotros habitualmente vamos a trabajar con disoluciones binarias, constituidas por dos sustancias puras que se distribuyen uniformemente la una en la otra por todo el sistema. Pero además, las disoluciones se pueden clasificar dependiendo del estado de agregación del soluto y el disolvente. Aunque cualquier combinación de estados de agregación de soluto y disolvente puede dar lugar a disoluciones, para nosotros las más interesantes van a ser las disoluciones gaseosas, como por ejemplo el aire, y las disoluciones líquidas, en las que el disolvente es un líquido (y el soluto habitualmente un sólido), como la mezcla agua y sal COMPOSICIÓN DE UNA DISOLUCIÓN (Pág 39) Para que una disolución esté perfectamente definida, hay que indicar las sustancias que la forman, es decir su composición cualitativa, pero también la proporción en la que estas se encuentran, es decir su composición cuantitativa. La razón está en que al cambiar de sustancias, es evidente que cambian las propiedades de la disolución, pero de igual manera lo hacen al cambiar las cantidades de los componentes, aunque sigan siendo los mismos. Así por ejemplo, todos sabemos que no es lo mismo la disolución formada por azúcar y agua que la disolución de sal y agua: una es dulce y la otra salada. Pero tampoco son iguales dos disoluciones formadas por sal y agua si adiciono distintas cantidades de agua y sal: así, la que contiene mayor proporción de sal resulta más salada. Cualitativamente las disoluciones se clasifican en diluidas o concentradas, según que la cantidad de soluto sea pequeña o grande comparada con la de disolvente. Pero para determinar la composición cuantitativa habrá que conocer las cantidades de cada componente en la disolución. Aunque estemos calculando la composición de un sistema, en disoluciones líquidas se prefiere hablar de concentración, mientras que en mezclas de sustancias sólidas se suele expresar como riqueza. 10

11 La concentración de una disolución expresa la cantidad de soluto que hay disuelto en una determinada cantidad de disolvente o de disolución. Hay muchas formas de expresar la composición o concentración de una disolución. Aquí sólo vamos a ver tres de ellas. Además hay que tener en cuenta que aunque la composición se puede definir para cada componente de una muestra, normalmente en las disoluciones solo se hace para el soluto. A) Tanto por ciento en masa: expresa la cantidad de masa de soluto que hay en cien unidades de masa de la disolución. Si utilizamos como unidad de masa el gramo, este porcentaje en masa de soluto será los gramos de soluto que hay disueltos en 100 gramos de disolución (aunque da igual la unidad de masa empleada puesto que el resultado es el mismo si utilizo kilogramos u otra unidad de masa). Masa de soluto % en masa de soluto = 100 Masa de la disolución Nota: De igual modo se puede definir el tanto por ciento en masa para el disolvente. B) Tanto por ciento en volumen: análogamente expresa la cantidad de volumen de soluto que hay en cien unidades de volumen de la disolución. Volumen de soluto % en volumen de soluto = 100 Volumen de la disolución C) Concentración en masa: indica la masa de soluto que hay disuelta en cada unidad de volumen de disolución. Concentración en masa = Masa de soluto Volumen de la disolución Hay que destacar que esta es una de las formas más utilizadas para expresar la composición de disoluciones de sólidos en líquidos y que existen dos diferencias fundamentales con las dos expresiones anteriores: La concentración en masa no es un porcentaje (su expresión no aparece multiplicada por cien). Esta forma de expresar la concentración de las disoluciones sí tiene unidad (unidad de masa/volumen) puesto que las magnitudes que aparecen en el numerador y denominador son distintas. La unidad de la concentración en masa en el S.I. es el kg/m 3, pero en la práctica se utiliza más para las disoluciones el g/l. La expresión que permite calcular la concentración de la disolución en gramos por litro es: Concentración en g/l = Nº de gramos de soluto Nº de litros de disolución Nota: Como todo cociente expresa la cantidad de numerador que hay en una unidad del denominador, esta última expresión indica los gramos de soluto que hay disueltos en un litro de disolución (su concentración en masa) SOLUBILIDAD (Pág 42 y 43) Decimos que dos sustancias son solubles cuando al mezclarlas obtenemos una disolución. En disoluciones de sólidos en líquidos, la cantidad de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente siempre es limitada, ya que si vamos añadiendo más soluto a la disolución llegará un momento en que no haya suficiente disolvente en el que repartirse. En el momento que el disolvente no admite más soluto se dice que la disolución está saturada, (ya no es posible disolver más soluto), y cuando superamos esta cantidad, la sustancia deja de ser soluble y el exceso se deposita en el fondo. Llamamos solubilidad de un soluto en un disolvente a una determinada temperatura a la cantidad máxima en gramos de ese soluto que se puede disolver en 100 gramos de disolvente a esa temperatura. La solubilidad de una sustancia pura en un determinado disolvente a una temperatura dada es otra de sus propiedades características. 11

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