La diversidad de la materia

Transcripción

1 3 La diversidad de la materia Contenidos Índice Clasificación de los sistemas materiales Separación de mezclas heterogéneas Las disoluciones Sustancias puras: elementos y compuestos 1. Clasificación de los sistemas materiales Gracias a los denominados métodos de separación desarrollaremos algunos métodos experimentales para conocer la naturaleza de los distintos sistemas materiales Mezclas y sustancias puras Las sustancias puras tienen una composición y unas características estables, independientemente de las condiciones físicas que les rodean. Una sustancia pura puede estar constituida por elementos o por compuestos. Los elementos son sustancias integradas por un solo tipo de átomo, mientras que los compuestos contienen dos o más tipos de átomos distintos unidos entre sí. Las mezclas están formadas por dos o más sustancias puras, que podrán verse, o no, a simple vista. Elementos, compuestos y mezclas editores, S. A. Los elementos están constituidos por el mismo tipo de átomos, estén aislados o unidos entre sí. Los compuestos están formados por el mismo tipo de partículas, aunque pueden dividirse en otras partículas más simples. Las mezclas están formadas por distintos tipos de sustancias puras. 1

2 1.2. Cómo reconocer una mezcla? Las principales características que nos permiten identificar las mezclas son: > > Tienen composición y propiedades variables. > > Se pueden separar en otras sustancias más simples mediante procedimientos físicos. Las mezclas se clasifican a su vez en mezclas heterogéneas y mezclas homogéneas. Mezclas heterogéneas. Las propiedades y la composición varían de un punto a otro dentro de la mezcla, por lo que podemos diferenciar visualmente las partes que la constituyen. Mezclas homogéneas. Las propiedades y la composición son fijas en todos los puntos de la mezcla. En este tipo no se diferencian visualmente las partes que componen la mezcla. También se conocen como disoluciones. LA MATERIA 2. Separación de mezclas heterogéneas 2.1. Filtración Cuándo se usa? Esta técnica sirve para separar partículas sólidas que se encuentran dispersas en un líquido. A este tipo de mezcla se le llama suspensión fina, y algunos ejemplos son: un zumo de naranja natural, agua con serrín, una bolsita de infusión, etcétera. Procedimiento. Se usa un filtro o tamiz, que se coloca sobre un embudo, y se hace pasar la mezcla a través del embudo. El líquido caerá al matraz o el erlenmeyer que habremos colocado debajo del embudo, y el sólido quedará en el filtro. editores, S. A. 2

3 2.2. Criba Cuándo se usa? Este procedimiento se utiliza en aquellos casos en los que los componentes de la mezcla son sólidos y no están agregados o fusionados. Esta técnica está indicada además cuando existe una diferencia apreciable en el tamaño de los componentes de la mezcla. Por tanto, la criba suele utilizarse para seleccionar tamaños concretos. Procedimiento. Se conoce como criba tanto la técnica como el utensilio usado: una tela o una lámina agujereada. Se vierte toda la mezcla en la parte superior de la criba y se agita en horizontal dejando caer los granos más pequeños. En la cocina, por ejemplo, se utiliza una criba para aprovechar la harina sobrante tras rebozar un pescado: los trozos más grandes que contienen alimento se quedarán arriba y la harina limpia caerá bajo la criba Sedimentación Cuándo se usa? En este caso, se aprovecha como forma de separación la diferencia de densidad entre las partículas en suspensión y el líquido con el que se encuentra mezclado. Este procedimiento suele usarse en el tratamiento de lodos en las depuradoras y para separar la ganga (la parte sobrante) de la mena (el metal) en la industria minera. Procedimiento. Se deja reposar el tiempo suficiente la mezcla para que, por efecto de la gravedad, las partículas más densas vayan al fondo Decantación Cuándo se usa? Mediante la decantación se pueden separar líquidos inmiscibles (que no se mezclan aun estando en un mismo recipiente). Esta técnica aprovecha el mismo fundamento físico que la sedimentación: la diferencia de densidad entre los dos líquidos. Procedimiento. Para la separación se emplea el embudo de decantación, que es un embudo especial con una válvula que controla la salida de líquido Centrifugación Cuándo se usa? Se emplea cuando existe una diferencia de densidades entre los componentes de la mezcla. Procedimiento. Se hace girar la mezcla de tal forma que se produce la sedimentación de las partículas más densas. Es muy similar a la sedimentación, puesto que el efecto de la rotación es muy parecido al de la gravedad. Este procedimiento se utiliza para acelerar la sedimentación de aquellas partículas de muy poca masa que tardarían mucho tiempo en llegar al fondo. editores, S. A Separación magnética Cuándo se usa? En aquellas mezclas en las que uno de los componentes tiene propiedades magnéticas (magnetita o metales como el hierro, el níquel y el cobalto). Procedimiento. Se usa un imán o electroimán para atraer el componente que tiene propiedades magnéticas. 3

4 3. Las disoluciones 3.1. Definición y clasificación Recuerda que una disolución es una mezcla homogénea cuyos componentes no pueden diferenciarse a simple vista y se encuentran en proporción variable. En toda disolución debemos diferenciar: > > Soluto: es el componente que se encuentra habitualmente en menor proporción. Es la sustancia que se disuelve. > > Disolvente: es el componente que se encuentra en mayor proporción o que mantiene su estado de agregación. El disolvente es la sustancia que disuelve al soluto. Agua Sal Estado de la disolución Disolvente Soluto Ejemplo Aleaciones Arcilla húmeda Hidrógeno en paladio Azúcar en agua Alcohol en agua Oxígeno en agua Humo Aerosoles Aire 3.2. La concentración de las disoluciones Para estudiar una disolución debemos saber qué sustancia funciona como soluto, cuál es el disolvente y en qué proporción se encuentran cada uno de ellos. La concentración de una disolución expresa numéricamente la cantidad de soluto que hay en una disolución. editores, S. A. 4

5 No hay una única forma de expresar la concentración, ya que dependerá del tipo de soluto y disolvente que conformen la mezcla. En general, responde a este esquema: Porcentaje en masa Concentración = Indica los gramos de soluto que hay por cada 100 gramos de disolución. % en masa = cantidad de soluto cantidad de disolución masa de soluto masa de disolución. 100 Se usa habitualmente para disoluciones de sólido en sólido o sólido en líquido. Esta forma de expresar la concentración también puede extenderse a masas medidas en otras unidades, como el kg. Lo que sí debes tener en cuenta es que denominador y numerador deben estar expresados en la misma unidad de masa. Porcentaje en volumen Indica el volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de disolución. Suelen usarse las unidades cm 3 (es equivalente a ml) o L. Concentración en masa Indica la masa de soluto en gramos por cada litro de disolución. Es importante que no confundas la concentración en masa de una disolución (se refiere a los dos componentes) con la densidad de la disolución (se refiere a la masa y volumen de la disolución en su conjunto). masa de soluto Concentración en masa = volumen de disolución 3.3. Propiedades de las disoluciones Solubilidad volumen de soluto % en volumen =. 100 volumen de disolución La solubilidad de un soluto en un disolvente es la cantidad máxima que puede disolverse de este soluto en 100 g del disolvente, a una temperatura determinada. Solubilidad = g de soluto 100 g de disolvente Suele expresarse en g de soluto por 100 g de disolvente, aunque también se usa el gramo de soluto por litro de disolvente (g/l). editores, S. A. En función de la proporción entre soluto y disolvente la disolución puede ser: > > Diluida: la cantidad de soluto es inferior a la solubilidad de este. > > Concentrada: la cantidad de soluto es aproximadamente igual a la solubilidad. > > Saturada: la disolución no es capaz de admitir más soluto. 5

6 Propiedades coligativas Las propiedades coligativas son aquellas que dependen sólo de la cantidad de partículas de soluto disuelto en una disolución y no de la naturaleza de estas. Entre ellas podemos destacar: > > Descenso de la temperatura de congelación Este fenómeno, también conocido como descenso crioscópico, ocurre cuando un disolvente, en presencia de un soluto, pasa a estado sólido por debajo de su temperatura de congelación. > > Aumento de la temperatura de ebullición También conocido como ascenso ebulloscópico, se trata del aumento de la temperatura a la cual un disolvente líquido pasa a estado gaseoso por el hecho de encontrarse un soluto disuelto en él. El aumento ebulloscópico también es proporcional al número de partículas de soluto dispersas. > > Ósmosis Este fenómeno ocurre cuando dos disoluciones están separadas por una membrana semipermeable que permite el paso del disolvente pero no del soluto. El disolvente se desplazará hacia la zona donde exista mayor concentración de soluto, para intentar igualar ambas concentraciones Separación de las disoluciones s en líquidos: evaporación y cristalización Evaporación: se calienta la disolución hasta alcanzar el punto de ebullición del líquido y se espera a que todo el líquido se haya evaporado. El sólido queda en el fondo del recipiente. Cristalización: se deja el recipiente abierto para que el líquido se vaya vaporizando poco a poco. s en líquidos: destilación Mediante esta técnica aprovechamos la diferencia en los puntos de ebullición de los líquidos presentes en la disolución. Esto significa que podemos evaporar por completo uno de los líquidos mientras que el otro permanece en el recipiente. es en gases Disolución selectiva: se aprovecha el hecho de que uno de los gases es soluble en un líquido. Destilación de gases: se licuan los gases que componen la disolución, es decir, se pasan a estado líquido, y luego se destilan, recogiéndose cada uno en un recipiente distinto. editores, S. A. 6

7 Cromatografía Esta técnica se usa para separar visualmente los componentes de una disolución, como puede ser un pigmento vegetal. Consta de una fase líquida (disolvente) que se hace pasar por un lecho estacionario (papel de filtro, por ejemplo), donde se encuentra la disolución a analizar. El disolvente sube por el lecho estacionario (por efecto de la capilaridad) haciendo que la disolución se difunda dejando trazas de distintos colores según cada componente. Esquema-resumen de separación de mezclas Separación de mezclas Filtración Heterogéneas Homogéneas Criba Sedimentación Decantación Centrifugación Separación magnética Evaporación Cristalización Destilación Disolución selectiva Destilación de gases Cromatografía 4. Sustancias puras: elementos y compuestos Los compuestos son sustancias puras que pueden dividirse en otras más sencillas mediante procedimientos químicos. Los elementos son sustancias puras que no pueden dividirse en otras más sencillas mediante procedimientos químicos Descomposición de compuestos Electrolisis: este método consiste en la aplicación de electricidad a un compuesto para separarlo en los elementos que lo conforman. editores, S. A. Descomposición térmica: ocurre cuando un compuesto se divide en sustancias más simples (elementos o compuestos) mediante la aplicación de calor. Descomposición por luz: la acción de la luz también puede provocar la descomposición de algunos compuestos, además de favorecer distintas reacciones químicas. 7

8 4.2. Diferencias entre disoluciones y compuestos Es habitual confundir las disoluciones (mezclas homogéneas) con los compuestos. Atiende y estudia estas cuatro diferencias básicas: > > Las disoluciones pueden existir con cualquier proporción de sus componentes, mientras que la composición en los compuestos es fija. > > Las disoluciones pueden separarse mediante métodos físicos y los compuestos sólo pueden separarse en sus elementos constituyentes mediante métodos químicos. > > Los componentes que conforman una disolución mantienen sus propiedades; sin embargo, los compuestos tienen propiedades muy diferentes a los elementos que los forman. > > Los compuestos tienen densidades, temperatura de fusión y temperatura de ebullición características. En las disoluciones estas propiedades son variables y dependen de las distintas proporciones Teoría atómica de Dalton > > La materia está formada por partículas indivisibles, denominadas átomos. > > Las sustancias que tienen átomos iguales son elementos. > > Átomos de un mismo elemento tienen la misma masa y las mismas propiedades químicas. > > Los átomos de distintos elementos se distinguen por tener masa y propiedades distintas. > > Los compuestos se forman mediante la unión de cantidades fijas de átomos de distintos elementos. > > Los átomos compuestos (el físico italiano Amedeo Avogadro los llamó moléculas a partir de 1811) de un compuesto son iguales entre sí. > > Los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas, sólo se redistribuyen en distintas sustancias Elementos conocidos y su importancia Los elementos que conocemos actualmente han sido descubiertos a lo largo de la historia de la humanidad. En la Antigüedad sólo se sabía de la existencia de algunos metales, como el hierro, el cobre, el oro y la plata. Fue a partir del siglo xix cuando empezaron a conocerse la mayoría de los elementos que pueden estudiarse hoy. Esta circunstancia se debe a que muy pocos de ellos se encuentran en estado libre en la naturaleza. Como hemos visto, los átomos suelen unirse para formar compuestos. Así, cuando el ser humano aprendió a separar estos compuestos, se consiguió avanzar en el conocimiento de los distintos elementos. Los seres vivos necesitan incorporar en su interior multitud de elementos: carbono, oxígeno, calcio, etc. Esta captación la realizan fundamentalmente mediante dos mecanismos: la nutrición y el intercambio de gases (respiración). Estos principios inmediatos pueden ser inorgánicos (agua y sales minerales) u orgánicos. editores, S. A. 8