UD 5. CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA. MÉTODOS DE SEPARACIÓN.

Transcripción

1 CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA. MÉTODOS DE SEPARACIÓN IES. Flavio Irnitano Pág. 1 / 9

2 Clasificación de los sistemas materiales. En muchas ocasiones has oído expresiones como pura leche de vaca o el aire puro de las montañas o puro zumo de frutas cuando se quiere significar que algo es auténtico y bueno. Por el contrario, cuando se usan expresiones del tipo con aditivos químicos, sin duda te sugiere algo que es impuro y poco recomendable. Sin embargo, desde el punto de vista científico, tales expresiones son, cuando menos, confusas. Así, ni la leche de vaca, ni el aire ni el zumo de frutas se consideran sustancias puras, pues contienen muchas sustancias. Como ya sabes, un sistema material es una porción de materia que se considera de forma aislada para ser objeto de estudio. Teniendo en cuenta su composición, los sistemas materiales pueden clasificarse en sustancias puras y mezclas. Un ejemplo de sustancia pura es el aceite (o el agua, azúcar, ), pues está formado por un único tipo de sustancia que no puede descomponerse mediante métodos físicos (filtración, decantación, destilación, ). Un ejemplo de mezcla es la leche (o el zumo de frutas, el granito, ) ya que se trata de un sistema material formado por dos o más sustancias cuya proporción puede ser variable. Las sustancias puras, a su vez, podemos clasificarlas en sustancias simples y compuestos. Una sustancia simple es aquella sustancia pura que no puede descomponerse en otras más sencillas mediante procedimientos físico-químicos normales. Así, el cobre, el dioxígeno, el carbono o el dinitrógeno son, por ejemplo, constituyentes básicos de la materia. Sin embargo, el agua, la sal, el azúcar son sustancias compuestos; es decir, sustancias puras formadas por dos o más elementos, que pueden descomponerse por métodos químicos. Por otro lado, las mezclas, dependiendo de su composición, pueden ser homogéneas y heterogéneas. Una mezcla heterogénea, como la que forma el agua y la arena (o la leche, el hormigón, ) es aquélla en la que las partículas de sus diferentes constituyentes se pueden distinguir a simple vista (o con la ayuda de una lupa o microscopio ordinario) o aun siendo una única sustancia, se distinguen distintas fases. Sin embargo, existen otras mezclas cuyos constituyentes no pueden ser distinguidos ni siquiera con un microscopio ordinario, como es el caso del aire (o del agua del mar o el bronce). Estas mezclas reciben el nombre de mezclas homogéneas o disoluciones. Conviene destacar que mientras que una mezcla homogénea presenta las mismas propiedades en cualquier parte, las mezclas heterogéneas presentan propiedades y aspectos diferentes en las distintas partes de las mismas. Hemos visto pues, que una primera clasificación de la materia estaba en función de su estado de agregación (sólido, líquido, gaseoso). La clasificación que nos interesa en este apartado se corresponde con la composición del sistema material, de acuerdo con esto, los sistemas materiales se clasifican en: Sustancias puras. o Compuestos. o Elementos. Mezclas de sustancias. Que a su vez se clasifican en: o Mezclas heterogéneas. o Mezclas homogéneas, habitualmente llamadas disoluciones. Las sustancias presentes en una mezcla se pueden separar por medios puramente físicos (densidad, campo magnético, punto de ebullición, etc.). Seguidamente vamos a ver el significado de cada una de estas IES. Flavio Irnitano Pág. 2 / 9

3 clases de sistemas materiales así como el tipo de método que se debe seguir para separar las sustancias en las mezclas. Mezclas heterogéneas. Una mezcla heterogénea o sistema material heterogéneo es un sistema material formado por varias sustancias en el que su composición, estructura o propiedades no se mantienen en cualquier punto de su masa, pudiéndose percibir límites de separación entre regiones diversas. Algunas veces no resulta fácil comprobar si un sistema material es una mezcla heterogénea. Puede que a simple vista encontremos cierta apariencia de regularidad y de uniformidad pero un análisis más cuidadoso puede advertirnos ciertas diferencias. La mayoría de los materiales de uso habitual son heterogéneos y sólo algunos pueden considerarse realmente homogéneos. Métodos de separación de mezclas heterogéneas. La forma de separar las sustancias que forman una mezcla utilizará algunas de las propiedades de las mismas, propiedades que sean diferentes entre las sustancias que la forman. Así, por ejemplo, si una de las sustancias es atraída por los imanes, utilizaremos un imán para separarla del resto de sustancias que forman la mezcla heterogénea. IES. Flavio Irnitano Pág. 3 / 9

4 Si la diferencia es el tamaño de las sustancias que constituyen la mezcla heterogénea: i. Si todas las sustancias son sólidas y el tamaño es muy diferente, podemos utilizar una criba para dejar pasar las más pequeñas y dejar en la criba las más grandes. Este método se llama tamización Para separar sólidos de líquidos podemos: i. Si la densidad es muy diferente, sólido más denso que el líquido, podemos dejar sedimentar (dejar que con el tiempo el sólido se deposite en el fondo) y coger la parte superior (líquido) volcando ligeramente el vaso que lo contenga (decantación). Previamente podríamos haber centrifugado el sistema para que el sólido quedara más apelmazado en el fondo del vaso (centrifugación) y al volcar pudiéramos separa mayor cantidad de líquido. ii. También podríamos utilizar la filtración: tipo de criba en la que el tamaño de los agujeros es sumamente pequeño. Si queremos separar líquidos de diferente densidad y no miscibles (no se disuelven unos en otros) podemos utilizar el proceso anterior de decantación: i. Volcando ligeramente el vaso que contiene los líquidos la fase superior la podemos trasvasar a otro recipiente y quedarnos en el vaso con la fase inferior (la de menos densidad). ii. Utilizando un embudo de decantación. El embudo de decantación tiene una salida en la parte inferior con una llave de forma que cuando se encuentren bien delimitadas las fases podemos ir separándolas abriendo la llave y separando la parte inferior. Con el embudo de decantación podemos lograr separaciones de líquidos por el método de decantación con una precisión mucho mayor que el simple volcado del vaso. Resumen de métodos de separación de Mezclas Heterogéneas: Sólido de sólido: o Imantación si uno de ellos es atraído por imanes. o Manual si el tamaño lo permite. o Tamización o cribado si son de diferentes tamaños. Sólido de líquido: o Sedimentación seguido de decantación. o Sedimentación y centrifugación, seguido de decantación. o Filtración. Líquido de líquido, no miscibles: o Decantación normal. o Decantación, utilizando el embudo de decantación. No hay que olvidar que el utilizar uno u otro método depende de las características de las sustancias a separar y de qué interesa obtener de forma más pura. A5.1. Crees que algún sistema material heterogéneo puede contener una sola sustancia? A5.2. Pon tres ejemplos de sistemas materiales heterogéneos frecuentes de la vida diaria. A5.3. Indica razonadamente cuáles de los siguientes sistemas materiales son sustancias puras o mezclas: (a) agua IES. Flavio Irnitano Pág. 4 / 9

5 destilada; (b) agua potable; (c) oro; (d) detergente en polvo; (e) refresco de cola. A5.4. Clasifica en heterogéneos y homogéneos los sistemas materiales siguientes: (a) granito, (b) polvo de talco, (c) azúcar, (d) vidrio, (e) arena de la playa; (f) esta página de los apuntes. A5.5. Sabiendo que la arena de la playa es insoluble en agua, mientras que la sal de mar es soluble en el agua, cómo podrías separar y aislar la arena y la sal? A5.6. La naftalina es un sólido que funde a 80 ºC, mientras que el cloruro de sodio es un sólido que funde a 802 ºC. Cómo separarías una mezcla de estos dos sólidos? A5.7. Qué métodos emplearías para separar las sustancias que componen las siguientes mezclas: (a) aceite y agua; (b) sal de cocina disuelta en agua; (c) alcohol y agua; (d) cristalitos de sal común y yodo, sabiendo que la sal se disuelve en agua y no en alcohol mientras que el yodo se disuelve en alcohol y no lo hace en agua; (e) hierro y azufre. Mezclas homogéneas o disoluciones. Una mezcla homogénea es un sistema material homogéneo formado por varias sustancias. Las mezclas homogéneas se llaman soluciones o disoluciones. Nos encontramos con disoluciones de sustancias que se encuentran cualquier estado de agregación con otras sustancias que se encuentran en el mismo estado de agregación o en otro diferentes. En una disolución denominamos disolvente a la sustancia de la mezcla que se encuentra en mayor proporción. Denominamos soluto a la sustancia o sustancias que se encuentran en menor proporción. Soluto Disolvente Comentarios y ejemplos Sólido Son las aleaciones. Líquido Amalgamas. Sólido El más habitual es el hidrógeno en Gas determinados metales. Sólido Son las disoluciones más habituales, las que se suelen utilizar en química. Cuando los líquidos se disuelven uno Líquido en el otro, por ejemplo alcohol en agua. Líquido Siempre se suele disolver algo de gas Gas en los líquidos. Por ejemplo, el aire disuelto en el agua, las bebidas gaseosas, etc. Sólido Humo. Líquido Gas Niebla. Gas Por ejemplo, el más habitual es el aire. Métodos de separación de mezclas homogéneas o disoluciones. Como se ha dicho anteriormente, los métodos de separación se basan en diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una mezcla. Para las disoluciones, los métodos más habituales son: IES. Flavio Irnitano Pág. 5 / 9

6 Destilación. Este método consiste en separar los componentes de las mezclas basándose en lo volátiles que sean las sustancias que forman la mezcla se utilizan los destiladores. Una sustancia de punto de ebullición bajo se considera volátil en relación con las otras sustancias de puntos de ebullición mayor. Hay varios tipos de destilación, la más sencilla es la destilación simple en la que el proceso se lleva a cabo por medio de una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (calentando la mezcla) y se condensa por medio de un refrigerante. Evaporación y cristalización: o o La evaporación consiste en eliminar el disolvente líquido, quedándonos con el soluto. Para favorecer la evaporación podemos calentar la mezcla o dejar que ocurra lentamente. La cristalización es el depósito del sólido disuelto en el líquido por alguno de los siguientes motivos: Extracción. I. Por enfriamiento, habitualmente se disuelven mejor los sólidos en los líquidos la aumentar la temperatura. Si nosotros enfriamos deberá tener menos sólido disuelto en el líquido, el sólido que sobra acabará depositándose en el fondo del recipiente (cristalización). II. Por evaporación, al disminuir la cantidad de disolvente deberá tener menos sólido disuelto, el que vaya sobrando a medida que se evapore el líquido se depositará en el fondo del recipiente (cristalización). Consiste en separar varios solutos disueltos en un disolvente. Se utiliza la diferencia de solubilidad (ver apartado cuarto) de cada soluto en diferentes disolventes. Se añade un disolvente inmiscible (que no se disuelve) con el disolvente de la mezcla, los solutos se distribuyen entre los dos disolventes: alguno de los solutos será más soluble en el primer disolvente y otro de los solutos en el segundo disolvente. Posteriormente las dos fases se separan como mezclas heterogéneas, por decantación en este caso. Cromatografía. Las sustancias a separar se distribuyen entre dos fases según la tendencia que tengan a estar más en una de las fases o en la otra. Una fase es la denominada móvil, la que avanza, y la otra es la fase fija. Los más solubles o que retiene mejor la fase fija retrasan su avance y, de esta forma, se separan de los que retiene mejor la fase móvil. A5.8. Si añadimos trocitos de azúcar en un recipiente con agua y agitamos el contenido durante un tiempo, qué tipo de mezcla obtenemos? Y si en lugar de azúcar fuese arena lo que añadimos al recipiente? A5.9. Explica como separarías una mezcla de sal (soluble en agua e insoluble en etanol), yodo (soluble en etanol y además, sublima), hierro (insoluble en agua, en etanol y con propiedades magnéticas) y arena insoluble en agua y en etanol). A5.10. Desde el punto de vista microscópico, una disolución de un sólido en un líquido se caracteriza porque el sólido desap arece quedando un sistema líquido. Se pide: (a) cómo podríamos interpretar este proceso con la ayuda de la TCM? IES. Flavio Irnitano Pág. 6 / 9

7 Por qué unas sustancias son solubles en un determinado disolvente mientras que otras no lo son?; (b) Cómo podríamos re presentar el proceso de disolución con ayuda de dibujos? Representa las moléculas de soluto como círculos rellenos y las mol éculas de disolvente como círculos sin relleno. Sustancias puras. Son sistemas materiales homogéneos formados de un solo tipo de sustancia. Pueden ser de dos tipos: Simples o elementos. Son sustancias de composición simple y que no pueden descomponerse en otras más sencillas por métodos químicos ordinarios. Son los elementos químicos. Por ejemplo, el oro, el azufre, el sodio, el oxígeno, etc. Compuestos. Son sustancias formadas por la unión química, o combinación, de dos o más elementos en proporciones fijas, siendo las propiedades del compuesto diferentes de las de sus elementos constituyentes. Los compuestos se pueden descomponer en los elementos que los constituyen por métodos químicos habituales. Por ejemplo, el agua, la sal, etc. Cómo diferenciar entre sustancias puras y disoluciones (mezclas homogéneas)? Para distinguir si un sistema material homogéneo es una sustancia pura o una disolución (mezcla de varias sustancias) hay que recurrir a alguna de las técnicas de separación que se han comentado anteriormente, tales como la destilación, el calentamiento a sequedad o la cristalización. Para diferenciar si un sistema líquido es una sustancia pura o una disolución, de una manera rápida, nos fijamos en la temperatura de ebullición. En el caso de una sustancia líquida pura, la temperatura de ebullición es definida y permanece constante, mientras que en el caso de una disolución, la temperatura de ebullición no permanece constante y depende del tipo de las sustancias mezcladas y de la proporción en que se encuentran. Lo mismo le ocurre a otras propiedades características, como la densidad, la temperatura de fusión, etc. Sustancia pura Los constituyentes (elementos) se encuentran en proporciones fijas. Si al calentar o enfriar alcanzamos la temperatura de fusión o de ebullición, esta se mantiene estable mientras no cambie el estado de agregación de la sustancia. Los compuestos se pueden separar en los elementos que lo constituyen por medios químicos. Disolución (mezcla homogénea) Los constituyentes de la mezcla pueden estar en cualquier proporción. Si al calentar o enfriar alcanzamos la temperatura de fusión o de ebullición de uno de los componentes de la mezcla; esta temperatura se estabiliza algo pero no se mantiene invariable porque sólo está cambiando el estado de una de las sustancias que forman la mezcla, la otra u otras siguen aumentando su temperatura. Las mezclas se pueden separar en las sustancias que la constituyen por medios físicos sencillos. A5.11. Cómo comprobarías si un líquido de aspecto homogéneo y de color pardo es una disolución o una sustancia pura? A5.12. Se calienta hasta ebullición un líquido transparente e incoloro y se observa que la temperatura de ebullición va aumen IES. Flavio Irnitano Pág. 7 / 9

8 tando paulatinamente. Cuando todo el líquido desaparece, queda un residuo de color blanco en las paredes y en el fondo del recipiente. Se trata de una disolución o de una sustancia pura? Explicación. Por último, conviene caer en la cuenta que una sustancia compuesto NO es lo mismo que una mezcla de sustancias. Al calentar o pasar la corriente eléctrica, las sustancias compuesto originan la formación de dos o más sustancias diferentes, como sucede en la electrólisis del agua, donde se forman dihidrógeno y dioxígeno. El agua NO es una mezcla de dihidrógeno y dioxígeno sino que es una sustancia compuesto. En el agua no existen de ninguna forma las sustancias dihidrógeno y dioxígeno, sino que está compuesta de dos clases de átomos (lo que los científicos denominan elementos químicos): átomos de la clase hidrógeno y átomos de la clase oxígeno. A5.13. Un líquido transparente incoloro se calienta hasta que hierve. Mientras dura la ebullición la temperatura del líquido permanece constante. El gas obtenido se enfría y vuelve a obtenerse el líquido original. Si el líquido se somete a electrólisis, desaparece y da lugar a dos sustancias gaseosas diferentes. Es ese líquido una sustancia simple, un compuesto, una mezcla heterogénea o una disolución? Explicación. A5.14. Dibuja cómo te imaginas que está constituida la mezcla de dihidrógeno y dioxígeno que se recoge en la electrólisis del agua, y el gas que se forma cuando el agua líquida está hirviendo. Cuál es la diferencia entre ambos? GLOSARIO DE TÉRMINOS Sistema material. Porción específica de espacio que contiene materia y se ha seleccionado para su estudio. Mezclas. Una mezcla está compuesta por dos o más sustancias, cada una de las cuales conserva su identidad y propiedades específicas. Sistema material homogéneo. Todas las porciones de materia son exactamente iguales en composición, estructura y propiedades. Fases. Una fase es una parte homogénea de un sistema. Un sistema homogéneo estará formado por una sola fase. Un sistema heterogéneo estará formado por varias fases con límites definidos entre ellas. Sistema material heterogéneo. Todas las porciones de materia son diferentes en composición, estructura y propiedades. Medios físicos y medios químicos de separación de los componentes de una sustancia. La separación de un sistema material en los componentes que lo forman puede llevarse a cabo por medios físicos o por medios químicos: IES. Flavio Irnitano Pág. 8 / 9

9 Los medios físicos (destilación, decantación, evaporación, filtración, etc.) no producen alteración en la naturaleza de las sustancias que componen el sistema. Si volvemos a juntar los componentes obtenidos tras la separación tendremos nuevamente el sistema que habíamos separado. Los medios químicos conllevan transformaciones que afecta a la naturaleza de las sustancias. Una vez que se produce la separación, la simple reunión de los componentes separados no produce la sustancia original. ACTIVIDADES FINALES CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA. MÉTODOS DE SEPARACIÓN. 1. Explica en qué se diferencian un elemento y un compuesto. Qué es una sustancia simple? 2. Elabora una lista de cuatro sustancias puras que sean compuestos químicos y otras cuatro que sean sustancias simples. De qué elementos están constituidos los compuestos y las sustancias simples? 3. Identifica tres mezclas heterogéneas y otras tres homogéneas frecuentes en la vida cotidiana. 4. Ordena las sustancias siguientes de acuerdo con el esquema de clasificación de la materia: plata, granito, agua destilada, agua de mar, sal, vinagre. 5. Indica de forma razonada cuáles de las siguientes sustancias son puras y cuáles mezclas: diamante, gasolina, vino, oro, detergente en polvo, un refresco. 6. Cómo separarías en sus componentes una mezcla de arena y limaduras de hierro? Y una mezcla de arena y sal? En qué propiedades de estas sustancias te has basado al elegir el método de separación? 7. Cómo separarías una mezcla de agua, sal, arena y limaduras de hierro, de manera que al final puedas recuperar todos sus componentes? 8. Cómo separarías una mezcla de nitrato de potasio (soluble en agua), arena y limaduras de hierro?. 9. El agua y la gasolina no son miscibles. Cómo separarías una mezcla de gasolina y agua? Explica y razona la respuesta. 10. Traza una cruz en la columna que mejor define a cada sustancia. Sustancia Sustancia pura Elemento/Compuesto Agua mineral / Agua destilada / Agua con arena / Hierro / Bronce / Aire / Oxígeno / Sal común / Agua con azucar / Bloque de granito / Mezcla homogénea Mezcla heterogénea IES. Flavio Irnitano Pág. 9 / 9