Estados de la materia y cambios de fase

Transcripción

1 3 Año de Química: Sistemas Materiales Prof. Javier Ponce Qué es Ciencia? Ciencia (en latíns cientia, de scire, conocer ), término que en su sentido más amplio se emplea para referirse al conocimiento sistematizado en cualquier campo, pero que suele aplicarse sobre todo a la organización de la experiencia sensorial objetivamente verificable. La búsqueda de conocimiento en ese contexto se conoce como ciencia pura, para distinguirla de la ciencia aplicada la búsqueda de usos prácticos del conocimiento científico y de la tecnología, a través de la cual se llevan a cabo las aplicaciones. Qué es Química? Es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía. Estados de la materia y cambios de fase Materia: todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee masa. SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO 1. Represente mediante flechas los cambios de fases y nómbralos. 2. Con dos colores represente los procesos exotérmicos y endotérmicos. Tiene forma propia. Características macroscópicas de los Estados de la Materia Sólido Líquido Gaseoso No tiene forma propia, pero adopta la forma del recipiente que lo contiene. No tiene forma propia. Tiene volumen propio. Tiene volumen propio. No tiene volumen propio, ocupa todo el volumen disponible del recipiente donde está contenido. No se comprime prácticamente cundo se somete a presión. Se dilata poco. Se comprime algo más que el estado sólido. Tiene mayor dilatación que el estado sólido. Fácilmente compresible. Experimenta grandes dilataciones. QUÉ ES EL MODELO DISCONTINUO DE LA MATERIA?

2 Constitución Submicroscópica de la Materia Estado Sólido Líquido Gaseoso Partículas Muy juntas. Unidas en grupos desiguales y variables. Espacio Vacío Mínimo o casi nulo Mayor que en el estado sólido. Orden Las partículas están ordenadas en forma tridimensional Fuerzas de cohesión (atracción entre partículas) Son enormes (muy fuertes) El orden consiste en la formación de los grupos de partículas. Existen fuerzas de cohesión, pero son menores que en el estado sólido. Muy separadas. Muy grande. Las partículas están desordenadas. Prácticamente se puede considerar que no hay fuerzas de cohesión entre las partículas. Conceptos a tener en cuenta Materia; todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee masa. Sistema: es una porción del universo que se separa del resto con límites, reales o imaginarios claramente definidos, para poder estudiarlo y controlarlo. Lo que rodea al sistema, se le llama entorno ó ambiente. Ambiente: todo lo que queda por fuera de mi sistema. A los Sistemas lo podemos clasificar de acuerdo con la interacción con el medio exterior en: 1. Abierto: Hay intercambio de materia y de energía con el ambiente. 2. Cerrado: No hay intercambio de materia, pero sí de energía con el ambiente. 3. Aislado: No hay ni intercambio de materia, ni de energía con el ambiente. El comportamiento de los sistemas se estudian a través de sus propiedades: temperatura, masa, volumen, punto de fusión, punto de ebullición, densidad, solubilidad, etc. Estas propiedades se pueden clasificar en dos grandes grupos: Propiedades Extensivas: son aquellas que dependen de la cantidad de materia (cambia según la masa del cuerpo), son aditivas. Ej. Masa, volumen. Propiedades Intensivas: son aquellas independendientes de la cantidad de materia (cuyo valor no cambia según la masa del cuerpo), no son aditivas. Ej. Temperatura, densidad, punto de fusión, punto de ebullición.

3 Pero a los sistemas lo podemos clasificar (se definen) también según sus propiedades intensivas en: 1. Homogéneos: sus propiedades intensivas tienen igual valor en todos los puntos del sistema. Constituido por un única fase. 2. Heterogéneos: es aquel en el que por lo menos dos de sus puntos, presentan valores diferentes en sus propiedades intensivas. Constituido por más de una fase. Fase: 1 Definición- Porción de un sistema, en donde sus propiedades intensivas son iguales en todos sus puntos. 2 Definición - Es un conjunto de puntos con las mismas propiedades intensivas, separada por otra por límites físicos. Mapa Conceptual UNIVERSO Materia Todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa Energía Sistemas Materiales Sistemas (Clasificamos) Abierto: intercambia energía y materia con el ambiente. Cerrado: intercambia energía, pero no materia con el ambiente. Aislado: no intercambia ni energía, ni materia con el ambiente. Se definen por sus Sistemas (Propiedades intensivas) Homogéneo Heterogéneo Formado por una sola fase Formado por 2 o más fases Métodos de separación de fase (Métodos físicos) * Tamización * Filtración * Imantación * Decantación Soluciones Sustancias Puras * Disolución selectiva Son sistemas homogéneos constituido * Sublimación por un soluto (menor cantidad) y un solvente * Centrifugación (mayor cantidad). Métodos de Fraccionamiento *Destilación Sustancias Sustancias *Cristalización Simple Compuesta *Cromatografía ELEMENTO

4 Ficha de trabajo Métodos de separación de fases 3 año Química Prof. Javier Ponce Métodos de separación de Fases (Sistemas Heterogéneos). 1. Filtración: separa 1 fase sólida de 1 fase líquida. Ej. Arena y agua. 2. Tamización: sirve para separar fases sólidas, los sólidos deben tener partículas de diferente tamaño. Ej. Arena y pedregullo. 3. Decantación: sirve para separar dos líquidos no miscibles. Ej. Aceite y agua. Sirve también para separar un sistema heterogéneo formado por una fase sólida y una fase líquida (Sedimentación). 4. Centrifugación: se logra sedimentar rápidamente un sólido que no se disuelve en un líquido. 5. Disolución: sirve para separar fases sólidas, si se encuentra un líquido que disuelva a uno solo de los sólidos. Ej. Sal y arena. 6. Imantación: sirve para separar fases sólidas, de las cuales una tiene que ser un metal, que sea atraído por un imán. 7. Sublimación: sirve para separar fases sólidas, una de ellas debe sublimar fácilmente. Problema: Tengo 4 sistemas en frascos diferentes. 1. Agua, arena y pedregullo. 2. Talco y sal gruesa. 3. Arena, talco y agua. 4. Hielo y agua. Estos sistemas son todos heterogéneos. Que método de separación de fases, utilizarías para cada caso. Redactarlo y dibujarlo.

5 Ficha de trabajo Métodos de Fraccionamiento 3 año Química Prof. Javier Ponce Métodos de fraccionamiento (Sistemas Homogéneos): son procedimientos que permiten extraer de un sistema homogéneo, porciones con diferentes valores de sus propiedades intensivas (medidas en iguales condiciones experimentales). 1. Destilación: es la operación de separar, mediante vaporización y recondensación, los diferentes componentes líquidos, solido en liquido o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión. La destilación simple permite obtener un líquido puro a partir de una solución formada por un sólido y un líquido. Ésta comprende una ebullición seguida de una condensación de vapores. 2. Destilación: proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos. Punto de Ebullición: El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la presión externa. 1. Cristalización: Nos permite separar los componentes de una solución de un sólido disuelto en un líquido, por vaporización del solvente o por cambio de temperatura de la solución, obteniéndose el soluto sólido en forma de cristal. Se denomina cristales a sólidos de formas geométricas regulares que poseen caras planas y aristas rectas. La operación de cristalización es aquella por media de la cual se separa un componente de una solución liquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan. Es una operación necesaria para todo producto químico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea el azúcar o sacarosa, la sal común o cloruro de sodio. En la cadena de operaciones unitarias de los procesos de fabricación se ubica después de la evaporación y antes de la operación de secado de los cristales y envasado.

6 2. Cromatografía: la I.U.P.A.C define la cromatografía de forma más amplia como: Método usado principalmente para la separación de los componentes de una muestra, en el cual los componentes son distribuidos entre dos fases, una de las cuales es estacionaria, mientras que la otra es móvil. La fase estacionaria puede ser un sólido o un líquido soportado en un sólido o en un gel (matriz). La fase estacionaria puede ser empaquetada en una columna, extendida en una capa, distribuida como una película, etc. Se utiliza el término general de lecho para definir las distintas formas en que puede encontrarse la fase estacionaria. Las separaciones cromatográficas se consiguen mediante la distribución de los componentes de una mezcla entre la fase fija y la fase móvil. La separación entre dos sustancias empieza cuando una es retenida más fuertemente por la fase estacionaria que la otra, que tiende a desplazarse más rápidamente en la fase móvil. Las retenciones mencionadas pueden tener su origen en dos fenómenos de interacción que se dan entre las dos fases y que pueden ser: 1.-La adsorción, que es la retención de una especie química por parte de los puntos activos de la superficie de un sólido quedando delimitado el fenómeno a la superficie que separa las fases o superficie interfacial. 2.- La absorción, que es la retención de una especie química por parte de una masa, y debido a la tendencia que esta tiene a formar mezcla con la primera, absorción pura, o a reaccionar químicamente con la misma, absorción con reacción química, considerando ambas como un fenómeno másico y no superficial. Próxima clase estudiar: sistemas Homogéneos * Sustancias puras * Soluciones

7 Conceptos básicos: Sustancia: es una porción uniforme de materia con propiedades físicas definidas y constantes, con composición química invariable. Solución: son sistemas homogéneos formados por más de un componente, que se pueden fraccionarse por medio de métodos de fraccionamiento: destilación, cristalización y cromatografía. Las soluciones están constituidas por: * Soluto: el componente en menor proporción. * Solvente: el componente que se encuentra en mayor proporción. Si el agua es el solvente, se dice que la solución es acuosa. Ej.: agua con sal, aguas minerales. Ejemplos de soluciones en los tres estados de la materia: Gaseosas: el aire. Líquidas: los aceites (no acuosa). Sólida: amalgamas dentales (aleaciones). Sustancias Puras: todo cuerpo no fraccionable que está formado por una única clase de sustancia. Sustancias Simples: es aquella sustancia formada por una única clase de elemento y que no puede descomponerse químicamente. ELEMENTO. Ej.: H 2, O 2. Sustancias Compuestas: es aquella que está formada a partir de la combinación de más de un elemento diferente y puede descomponerse por medio de métodos químicos. Ej.: CO 2, H 2 O. Los métodos químicos son: termólisis y electrólisis. Solubilidad: cuando un soluto se disuelve en un determinado solvente, se dice que es soluble en dicho solvente. Ejemplos: * café instantáneo en agua caliente sí; el café de maquina no. * La grasa con la nafta. * La acetona quita el esmalte de las uñas. Porque lo disuelve. Definición de Solubilidad: es una propiedad que expresa la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad de solvente dado, a una presión y temperatura determinada. Es una propiedad intensiva y característica. Cuando se disuelve, por ejemplo, sal común (NaCl) en una determinada cantidad de agua, a una cierta temperatura, existe un límite por el cual el soluto no se disuelve más, cuando se llega a este límite la solución está saturada. Definición de Coeficiente de Solubilidad: es la máxima masa en gramos de soluto que se puede disolver en 100 g de solvente a una determinada temperatura y presión. Ejemplo: la solubilidad de NaCl en agua a 25 C y a 1 atm. Es de 36 g por 100 ml., esta es la máxima cantidad de NaCl que se puede disolver en H 2 O.

8 Ejercicios: a) Cuando se intento disolver 30 g de nitrato de potasio en 25 ml de agua a 60 C, quedó sin disolver 3.5 g de nitrato de potasio (KNO 3 ). Cuál es la solubilidad de esa sustancia en agua a esa temperatura? b) Se prepara una solución acuosa de cloruro de sodio a partir de 40 g de sal y 82 g de agua a 20 C. Qué tipo de sistema se obtiene?, Qué se té ocurre para que se transforme en un sistema homogéneo? Ejercicio de gráficas: La temperatura en el eje de abscisas (x) y la solubilidad en el eje de las ordenadas (y). La solubilidad en un determinado solvente es una propiedad del soluto y varía con la temperatura. Temperatura C Solubilidad g NaCl sal/ 100 g de H 2 O KNO Preguntas: * Cuál de los dos solutos es más soluble en agua? * Cuál s más soluble a 50? * A qué temperatura aproximadamente ambos solutos tienen igual solubilidad?