LA DIVERSIDAD DE LA MATERIA

Transcripción

1 Tema 3 LA DIVERSIDAD DE LA MATERIA 1 Clasificación de la materia Un sistema material es una porción de materia que se separa para realizar un estudio experimental. Es aquella parte del universo que se somete a estudio. Una primera clasificación de los sistemas materiales se hace por simple observación y es: i) Sistema material homogéneo es aquel que presenta un aspecto uniforme en todos sus puntos. Tiene que ser uniforme en su composición química y estado físico, es decir, una sola fase (sólida, líquida o gaseosa). Ejemplos: Sustancias puras y disoluciones. ii) Sistema material heterogéneo es aquel que no presenta un aspecto uniforme en todos sus puntos. Tampoco son uniformes ni en su composición química y pueden tener más de un fase o estado físico. Ejemplos: Mezclas heterogéneas. 2 Las mezclas heterogéneas Una mezcla está formada por dos o más sustancias, las cuales mantienen sus propiedades y su composición es variable. La proporción de sus componentes es variable. Ejemplos: Mezcla de Fe y S. Ambos mantienen sus propiedades Mezcla de CaCO 3 y agua. Una mezcla heterogénea es aquella en la que es posible distinguir a simple vista las sustancias que la componen. Cada componente de una mezcla heterogénea conserva sus propiedades características, que pueden aprovecharse para su separación. Ejemplos: El magnetismo del hierro. La insolubilidad del CaCO 3 Las sustancias puras tienen una composición y unas propiedades características constantes. SISTEMAS MATERIALES HETEROGÉNEOS Distinguibles a simple vista Son MEZCLAS HETEROGÉNEAS Más de una sustancia simple Componentes separables por procedimientos físicos SISTEMAS MATERIALES HOMOGÉNEOS

2 Separación de mezclas heterogéneas Los componentes de una mezcla heterogénea se pueden separar utilizando procedimientos físicos como son: Filtración, decantación, separación magnética. La filtración se utiliza para separar un líquido de un sólido insoluble. Ejemplo: Arena y agua. La decantación se utiliza para separar un sólido de un líquido o dos líquidos no miscibles, que no se mezclan, que tienen distinta densidad. Ejemplo: Agua y aceite. Agua y CCl4. Se utiliza un embudo especial, embudo de decantación. Separación magnética sirve para separar sustancias sólidas magnéticas ( Fe, Co, Ni) de otras que no lo son. 3 Los sistemas materiales homogéneos Mezclas homogéneas o Disoluciones 2 o más componentes SISTEMAS MATERIALES HOMOGÉNEOS Según el número de componentes pueden ser Por procedimientos físicos Sustancias Puras 1 componente Para saber si un sistema material homogéneo está constituido por uno o más componentes se recurre al estudio de las propiedades características: densidad, temperatura de fusión, temperatura de ebullición etc. Solo cuando el sistema material tiene un único componente sus propiedades características no varían. Ejemplo. Si calentamos hasta ebullición un líquido desconocido y su temperatura de ebullición varía a lo largo del tiempo, a medida que varía el volumen del mismo, podremos afirmar con seguridad que se trata de una disolución. Si, por el contrario, su teb se mantiene constante se trata de una sustancia pura y podremos utilizar el valor de la teb para identificarla. Mezclas homogéneas o Disoluciones Por procedimientos físicos Sustancias Puras Sustancias puras Una sustancia pura es aquella que tiene una fórmula química definida y unas propiedades características constantes.

3 Ejemplos: Agua: H 2 O; sal común: NaCl; bicarbonato: NaHCO 3 ; Alcohol etílico: C 2 H 5 OH. Yodo (I); Oxígeno (O2); Hidrógeno (H2); Hierro (Fe); Aluminio (Al). Carbono. Una sustancia pura no puede descomponerse en otras sustancias utilizando métodos físicos como la evaporación, cristalización etc. Sin embargo, si se somete a corriente eléctrica, es decir, el procedimiento químico conocido como electrolisis, se obtienen dos sustancias gaseosas diferentes, el hidrógeno y el oxígeno, que tienen propiedades diferentes. Otros procedimientos químicos son el calentamiento y la descomposición por la luz. Las sustancias puras pueden ser simples o compuestas. Compuestos más de 1 elemento Sustancias Puras Tienen fórmula química Según el número de elementos químicos Pueden ser Por procedimientos químicos Sustancias Simples 1 elemento Un compuesto es una sustancia pura que se puede descomponer por procedimientos químicos (electrolisis) en los elementos que lo constituyen. Está constituido por dos o más elementos combinados en proporciones fijas. Ejemplos: Agua H 2 O; Glucosa C 6 H 12 O 6 Una sustancia simple o elemento es una sustancia pura que no puede descomponerse en otras sustancias puras más sencillas por procedimientos químicos ordinarios. Está formada por un solo tipo de elemento. Ejemplos: Hierro (Fe), Carbono (C), Hidrógeno (H 2 ) 4 Las disoluciones Una disolución es una mezcla homogénea y uniforme formada por dos o más sustancias puras en proporción variable. El componente de la disolución que se halla, generalmente, en mayor cantidad se denomina disolvente, y el que aparece en menor cantidad, soluto. Ejemplo: Una disolución formada por una cucharada de azúcar en agua. El soluto es el azúcar y el disolvente el agua. El soluto disuelto no se puede ver. Cuando se evapora el disolvente se recupera el soluto. Las disoluciones se pueden clasificar según el número de componentes en binarias, ternarias, cuaternarias, etc. Las disoluciones binarias se pueden clasificar según el estado de agregación del soluto y del disolvente. Analiza la tabla con detenimiento y observa que hay todo tipo de combinaciones. Observa que el estado físico de la disolución es el mismo que el del disolvente.

4 Conceptos: Disolución acuosa.- Es aquella en la que el disolvente es agua. Amalgama.- Disolución de mercurio (liquido) en otro metal (sólido). Aleación.- Mezcla homogénea (disolución) obtenida por fusión de dos o más metales. Además del agua hay otros muchos disolventes: Alcohol etílico (C 2 H 5 OH), éter (C 2 H 6 O), cloroformo (CHCl 3 ), acetona (C 2 H 6 CO), tetracloruro de carbono (CCl 4 ), benceno (C 6 H 6 ), Amoníaco (NH 3 ) *** Concentración de una disolución Para identificar una disolución es necesario indicar el soluto y el disolvente pero además es imprescindible conocer la proporción en la que se encuentran, es decir, la concentración. La concentración de una disolución es la cantidad de soluto que hay disuelta en una determinada cantidad de disolvente o en una determinada cantidad de disolución. Existen diversas formas de expresar la disolución: 1- El tanto por ciento en volumen.- Es el número de unidades de volumen de soluto disueltas en 100 unidades de volumen de disolución. (Suelen usarse ml como unidad de volumen) % V volumen de soluto 100 volumen de disolución 2- El tanto por ciento en masa.- Es la masa de soluto disuelta en 100 unidades de masa de disolución. (Suelen usarse g como unidad de masa). % M masa de soluto 100 masa de disolución 3- Concentración en masa (g/l).- Nos da los gramos de soluto disueltos en 1Litro de disolución. masa de soluto (g) Concentración en masa volumen de disolución (L) La concentración en masa es una de las formas más utilizadas para expresar la concentración de disoluciones de sólidos en líquidos. Ejemplo de % en volumen: El grado alcohólico de una bebida Una botella de 1 L de vino de grado alcohólico 12 = 12º significa que es 12% en volumen lo que significa que cada 100 ml de vino contiene 12 ml de etanol. En los 1000mL hay 120 ml de etanol.

5 Preparación de una disolución de concentración conocida (Procedimiento) 1º- Se pesa en una balanza los gramos de soluto necesarios, en un vaso de precipitados. 2º- Se añade agua destilada al vaso de precipitados, en cantidad muy inferior al volumen total de disolución que deseamos preparar. 3º- Se agita con una varilla de vidrio hasta que se disuelva prácticamente todo el soluto. 4º- Se trasvasa, utilizando un embudo, el contenido del vaso de precipitados a un matraz aforado y se vuelve a agitar. 5º- Finalmente se añade más agua destilada al matraz hasta alcanzar la marca de enrase evitando el error de paralaje. 5 Solubilidad La solubilidad de un soluto en un disolvente es la cantidad máxima (en gramos) que se puede disolver en una determinada cantidad (por ejemplo100 gramos) de disolvente a una temperatura dada. La solubilidad puede expresarse en cualquier unidad de concentración. Por ejemplo en la tabla de la página 61 tenemos la solubilidad del oxígeno en agua en g/l. La solubilidad de una sustancia pura en un determinado disolvente y a una temperatura dada es otra de sus propiedades características. Disolución saturada.- Se dice que una disolución está saturada cuando no es posible disolver más soluto y el soluto que se añada quedará depositado en el fondo del recipiente. La única forma de disolverlo, sin añadir más disolvente, es mediante calentamiento. Esto es debido a que al aumentar la temperatura, generalmente, aumenta la solubilidad del soluto. Disolución sobresaturada es aquella que contiene una cantidad de soluto superior a la que le corresponde a la saturación. Es un estado inestable, cualquier pequeña perturbación provocará la formación instantánea de cristales del soluto. Para conseguir una disolución sobresaturada es preciso obtener la saturación a alta temperatura, por ejemplo 80ºC, y luego dejar enfriar muy lentamente. Factores que influyen en la solubilidad: i) Naturaleza del soluto ii) Naturaleza del disolvente. iii) Cantidad de disolvente iv) La temperatura v) La presión, si el soluto es un gas. La solubilidad de los gases Cuando se eleva la temperatura de la disolución de un gas en un líquido el gas se desprende. La solubilidad de los gases en los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Solubilidad del oxígeno (mg/l) en agua a 1 atm Temperatura (ºC)

6 Grafico de la solubilidad de diferentes gases (CO; O 2 y CH 4 ) con la temperatura Es evidente que a medida que aumenta la temperatura disminuye la solubilidad. No confundir la solubilidad con la velocidad de disolución, ésta se refiere a la rapidez con que se disuelve un soluto, que es mayor cuando se pulveriza, se agita y se calienta la disolución. Curvas de solubilidad, interpretación gráfica. Una curva de solubilidad representa la solubilidad (g de sustancia/100 g de agua) frente a la temperatura en ºC. Cada sustancia pura tiene su propia curva Al conocer la solubilidad de una sustancia a dos temperaturas nos permite saber la diferencia de masa de soluto que recristalizará cuando enfriamos la solución saturada. Ejemplo: El KNO 3 a 50ºC tiene una solubilidad de 80g/100g agua y a 20ºC tiene una solubilidad de 30g/100g agua Entonces si enfriamos la disolución saturada preparada a 50ºC, con 100 g de agua y KNO 3, hasta 20ºC precipitarían exactamente (80-30 = 50)g de sal. En general, la solubilidad aumenta con la temperatura. Observa las gráficas con atención: La Solubilidad de nitrato de potasio aumenta muy rápidamente con la temperatura. La del sulfato de cobre también aumenta, aunque no con tanta rapidez. La solubilidad del cloruro de sodio permanece casi inalterada. El sulfato de cerio [Ce 2 (SO4) 3 ] es excepcional, a mayor T menor solubilidad.

7 6 Métodos de separación de mezclas. Los componentes de las mezclas, sean estas homogéneas o heterogéneas, se pueden separar utilizando procedimientos físicos. Algunos métodos de separación de mezclas heterogéneas son: La Filtración. Se utiliza para separar un sólido insoluble de un líquido. La decantación. Se emplea para separar dos líquidos no miscibles. La separación magnética. Se utiliza para separar sustancias magnéticas de otras que no lo son. Algunos métodos utilizados para separar los componentes de una disolución son: La cristalización o recristalización. Es el proceso inverso de la disolución. La cristalización es un proceso por el cual a partir de una disolución los iones, átomos o moléculas establecen enlaces hasta formar una red cristalina, la unidad básica de un cristal. La cristalización se emplea con bastante frecuencia en química para purificar una sustancia sólida. La extracción de sustancias con disolventes. Se basa en la distinta solubilidad que un componente de una disolución tiene en diferentes disolventes. La extracción es un procedimiento de separación de una sustancia que puede disolverse en dos disolventes no miscibles entre sí, con distinto grado de solubilidad y que están en contacto a través de una interfase. La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y condensación en los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada uno de los componentes de la mezcla. Se emplea para separar líquidos de una disolución en función de sus puntos de ebullición. Ejemplo: destilación del alcohol etílico del vino. 7 Diferencias entre mezclas homogéneas y compuestos 1 En una mezcla los componentes pueden existir en cualquier proporción mientras que en un compuesto tienen una composición fija e invariable. 2 Las sustancias que componen las mezclas pueden separarse por procedimientos físicos mientras que los elementos que forman los compuestos no. Éstos solo se pueden separar por procedimientos químicos (reacciones de descomposición causadas por electrolisis, calor o luz). 3 Las sustancias que componen las mezclas conservan sus propiedades, sin embargo, los compuestos tienen propiedades características diferentes de los elementos que los constituyen. 4 En las mezclas, a diferencia de los compuestos, los valores de las propiedades características varían según la proporción en que se encuentran sus componentes. Mientras que en un compuesto, al igual que en cualquier sustancia pura, estas propiedades son características y constantes. Ejemplo de mezcla homogénea separada por procedimientos físicos SAL EN AGUA disolución Evaporación y Cristalización Agua (H 2 O) Sal (NaCl)

8 Ejemplos de compuestos separados por procedimientos químicos Esquema: AGUA Compuesto (H 2 O) electrolisis Hidrógeno (H 2 ) Sustancia simple Oxígeno (O 2 ) Sustancia simple Reacción química: H 2 O H 2 + O 2 Esquema: SAL Compuesto (NaCl) electrolisis Sodio (Na) Sustancia simple Cloro (Cl 2 ) Sustancia simple Reacción química: NaCl Na + Cl 2 8 El petróleo y sus derivados El petróleo es un combustible fósil de color negruzco y de aspecto aceitoso que impregna ciertas rocas. Es una mezcla de productos formada por distintos hidrocarburos, compuestos de carbono e hidrógeno) y otras sustancias. Destilación fraccionada consiste en la separación de los distintos componentes del petróleo según sus diferentes puntos de ebullición. Para esto se utiliza una torre de fraccionamiento. Mezclas y disoluciones no deseables La contaminación del suelo se produce por la acumulación de residuos urbanos que se emplean en la agricultura y por los vertidos incontrolados de las sustancias tóxicas. El agua contaminada cuando se incorporan a ella sustancias ajenas a su composición natural, de manera que deja de ser para el consumo doméstico o agrícola. Hacer Mapa Conceptual o esquema con los principales conceptos de la unidad.

9 Clasificación de la materia Mapa conceptual SISTEMAS MATERIALES HETEROGÉNEOS Distinguibles a simple vista Sustancias Simples 1 elemento Por procedimientos químicos Compuestos más de 1 elemento Son MEZCLAS HETEROGÉNEAS Según el número de elementos químicos pueden ser Más de una sustancia simple Componentes separables por procedimientos físicos SUSTANCIAS PURAS 1 componente SISTEMAS MATERIALES HOMOGÉNEOS Según el número de componentes pueden ser Por procedimientos físicos Mezclas homogéneas o DISOLUCIONES 2 o más componentes