Gabriel Villalobos Profesor de Física y Química de secundaria MEZCLAS

Transcripción

1 MEZCLAS Gabriel Villalobos 1. Sistemas materiales homogéneos y heterogéneos Clasificación Desde un punto de vista experimental. Podemos clasificar la materia que nos encontramos en la naturaleza entre: Sistemas materiales homogéneos. Son aquellos que tienen la misma composición y propiedades en cualquier punto del sistema. Como por ejemplo, el agua del grifo, un trozo de acero, la sal de la cocina, el aire que respiramos Sistemas materiales heterogéneos. Tienen distintas composiciones y propiedades en distintas partes. Por ejemplo, un trozo de granito, el agua turbia de un charco, un trozo de madera, la sangre, la leche Alguien puede pensar que la sangre y la leche son homogéneas, pero al mirarlas por un microscopio, se ven unas partes distintas de otras. Sustancias puras y mezclas Los sistemas heterogéneos son claramente una mezcla de varias sustancias, puesto que a simple vista o con ayuda de un microscopio se pueden distinguir unas sustancias de otras de las que forman la mezcla. Sin embargo, un sistema material homogéneo puede tratarse de una sustancia pura (que puede ser simple o compuesto), o puede tratarse de una mezcla de sustancias, pero que se encuentran mezcladas a nivel de partículas. Puesto que las partículas no las alcanzamos a ver, ya que son muy pequeñas, no podemos apreciar ni con un microscopio unas partes distintas de otras. El agua del grifo es un ejemplo de sistema material homogéneo que no es una sustancia pura, puesto que junto con el agua, se encuentra mezclado a nivel de partículas distintas sales y óxidos. Otro ejemplo, es el aire, que es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y argón fundamentalmente. El acero es una aleación de hierro y carbono, sus partículas están entremezcladas. Reconocimiento de sustancias puras de las mezclas homogéneas La pregunta está clara, si tenemos un sistema material homogéneo, cómo podemos saber si se trata de una sustancia pura o de una mezcla homogénea? La matera de hacerlo es teniendo en cuenta que las propiedades características de una sustancia pura, no cambian ante los cambios de estado o ante una división del sistema material en dos partes. Homogeneidad ante los cambios de estado. Con este nombre estamos indicando la propiedad de que las sustancias puras mantienen sus propiedades ante los cambios de estado. Por ejemplo, se calentamos agua pura hasta que hierva (a presión atmosférica), comprobaremos que hierve a 100ºC, y mientras hierve, la temperatura no 1

2 cambia. Esto es debido a que la temperatura de ebullición a esta presión es siempre 100ºC, no cambia. Sin embargo, si hervimos agua del grifo, observaremos que empieza a hervir a una temperatura un poquito mayor de 100ºC, y que mientras hierve, la temperatura no permanece constante, sino que va aumentando, aunque muy lentamente. Es decir, la propiedad temperatura de ebullición no permanece constante, sino que va aumentando. Homogeneidad ante la división. De esta manera, estamos llamando a la propiedad que nos dice que las sustancias puras, al dividirlas en dos, mantienen sus propiedades características. Depende de cómo dividamos el sistema material. Desde luego, si el agua del grifo contenida en un vaso la repartimos entre dos recipientes, podemos comprobar que el agua de los dos recipientes tienen propiedades idénticas. Pero si hervimos el agua del grifo, podemos comprobar que cuando se escape toda el agua, habrá dejado un rastro blanco en el fondo del recipiente. Esta sustancia se encontraba antes mezclada en el agua, y ahora está pegada en el recipiente. Por tanto, si condensamos los gases que se producen, conseguimos dividir el agua del grifo en dos partes, quedándonos dos sustancias distintas: agua pura y sales. Si el agua que hervimos fuese agua pura (agua destilada), cuando se escapara toda el agua, veríamos que no deja ningún rastro, que si recogemos los gases y los condensamos nuevamente, veremos que tiene las mismas propiedades que antes, ya que se trata de la misma sustancia. 2. Métodos de separación de mezclas Se aprovecharán las propiedades de la mezcla Como hemos dicho con anterioridad, la mayoría de las sustancias nos las encontramos mezcladas en la naturaleza. Sin embargo, se han ideado distintos métodos para separar las sustancias que nos interesa de estas mezclas. Dependiendo de cuáles sean las propiedades de las sustancias mezcladas se utilizará un procedimiento u otro para separar las mezclas. Por ejemplo, si alguien recoge la arenilla que hay en una canaleta de un tejado, puede comprobar que mezclada con la tierra hay micrometeoritos. Diariamente caen estos micrometeoritos. Suelen ser pequeñas esferitas de hierro. Miradas por el microscopio se ve que se debieron fundir al entrar a la atmósfera, y que se han solidificado nuevamente mientras caían. Cómo podemos separar los micrometeoritos del resto de la tierra? Podría hacerse de distintas maneras, pero una manera muy rápida de hacerlo, es aprovechando que los micrometeoritos son atraídos por un imán, mientras que el resto de la tierra no. Por consiguiente, echamos la mezcla sobe un papel, y por debajo ponemos un imán. Veremos cómo unas pequeñas partículas se quedan pegadas al imán con el papel por medio. Si le damos la vuelta, se caerá la tierra menos los micrometeoritos. Así, se nos quedan separados los micrometeoritos del resto una vez que recojamos las partículas que se quedaron en el papel. 2

3 Como vemos, hemos aprovechado las propiedades de esta mezcla, para separar la sustancia que nos interesaba. Esto mismo habrá que hacer con cualquier mezcla que queramos separar. Habrá que ver qué propiedades podremos aprovechar. Sin embargo, hay algunos métodos que suelen utilizarse muy a menudo cuando la mezcla cumple unas determinadas propiedades. A veces, para separar una mezcla, hay que aplicar más de un método como ya veremos. Decantación Este método se utiliza con mezclas líquidas heterogéneas, en las que hay sustancias con distintas densidades. Por ejemplo, el agua turbia es una mezcla heterogénea ya que hay pequeñas partículas sólidas en suspensión. Una manera de separar estas partículas del resto de agua, es mediante la decantación. Este método consiste simplemente en dejar reposar esta mezcla en un recipiente el tiempo necesario. Las particulitas sólidas, se van depositando en el fondo. Al cabo de cierto tiempo, podrá observarse que el agua ha quedado transparente con todo el lodo en el fondo. Ahora es cuestión de ir recogiendo el agua de encima con mucho cuidado (sin remover) con una jeringuilla o una pipeta. De esta manera, podremos recuperar gran cantidad de agua. No quiere decir que esta agua recuperada sea agua pura. Seguramente esté mezclada con sales que habrá que separar ahora por otro método. Si lo que queremos recuperar es el lodo seco sin agua, lo que deberemos hacer es quitarle todo el agua que podamos, y luego ponerlo en un recipiente ancho el resto que nos quede para que se evapore el agua restante. Por decantación también se puede separar una mezcla de dos líquidos que no mezclen bien (inmiscibles), como por ejemplo agua y aceite. Al dejar reposar esta mezcla, el aceite (que es menos denso) se sitúa en la superficie, y el resto es agua. Con una jeringuilla o con una pipeta, podemos extraer de la mezcla gran cantidad de aceite. Si lo que se quiere es recuperar el agua (el líquido que queda abajo), se utiliza un embudo de decantación. Es un recipiente de vidrio con forma de embudo y con una llave en el fondo. Abriendo esta llave, podemos dejar que salga el líquido que queda abajo en la mezcla. Centrifugado Este método es en definitiva una decantación. En un tubo de ensayo se introduce la mezcla, y se hace girar muy rápidamente. Para esto se utilizan centrifugadoras, que son máquinas diseñadas para este fin. El efecto de centrifugar es hacer como una decantación con una gravedad mucho más grande que la que tenemos, así se consiguen separar mezclas líquidas heterogéneas muy finas. Como la sangre, la leche, etc. Filtrado En un laboratorio de Química se utiliza papel de filtro para filtrar. Este papel tiene sus poros lo suficientemente grandes como para que pasen las moléculas de los líquidos, pero no las pequeñas partículas que tenga un líquido en suspensión. 3

4 Por eso, este método se utiliza para mezclas líquidas heterogéneas, consistentes en un sólido en suspensión con un líquido. Podría ser, agua turbia. O por ejemplo, cuando en el laboratorio, después de una reacción se forma un precipitado que cae al fondo, lo podemos recuperar filtrando. Calentamiento a sequedad Se utiliza este método en el caso de mezclas líquidas homogéneas, como por ejemplo, el agua del grifo. Se trata de calentar la mezcla hasta la ebullición. El líquido empieza a transformarse en gas escapándose, mientras que las sales disueltas se van quedando. Al final queda una costra en el fondo del recipiente. Así, lo que hacemos es recuperar las sales que había disueltas en el agua. Cristalización Este método, igual que el anterior, se utiliza para mezclas líquidas gaseosas. La diferencia está en que no calentamos el líquido, sino que dejamos que se evapore a temperatura ambiente. Lógicamente, utilizaremos este método cuando no tengamos prisa, o cuando que ramos recuperar las sustancias disueltas en forma de pequeños cristales. Al tratarse de un método muy lento, da tiempo a que las partículas disueltas se vayan ordenando conforme se van quedando sin el líquido. En un laboratorio de química, se utilizan unos recipientes de vidrio especiales (cristalizadores), que son muy anchos para que el líquido se evapore más rápido. Destilación Se suele utilizar este método para separar una mezcla homogénea de dos líquidos. Por ejemplo, agua y alcohol. Son dos líquidos que se mezclan muy bien, por eso se trata de una mezcla homogénea. La destilación se produce en un alambique. Se trata de un matraz que contiene la mezcla con un termómetro incorporado. Este matraz se va a calentar hasta la ebullición. Si lo que tenemos es una mezcla de agua y alcohol, empezará a hervir la mezcla a una temperatura intermedia entre 78.6ºC (que es la temperatura de ebullición del etanol) y 100ºC (que es la temperatura de ebullición del agua), dependiendo de las cantidades en las que se encuentren los dos líquidos. Los gases que se producen son de etanol ya que hierve a una temperatura inferior que el agua. Así, la mezcla cada vez será más pobre en alcohol y más rica en agua. Por eso, cada vez, la mezcla hierve a una temperatura mayor (puesto que cada vez hay más agua). Cuando la temperatura del matraz llegue a 100 ºC, sabemos que ya se ha escapado todo el alcohol, y o que queda es agua. Así habemos recuperado el agua. El alcohol también se recupera, puesto que en un alambique, los gases son reconducidos y enfriados para que vuelvan a estado líquido. Por eso el alcohol se recupera en otro recipiente. 4

5 3. Disoluciones Utilidad de las disoluciones Una disolución, es una mezcla homogénea. Por tanto, se trata de dos o más sustancias mezcladas a nivel de moléculas o átomos, de tal manera que es imposible observar que la disolución no es una sustancia pura. Ya hemos estudiado cómo identificar si un sistema material homogéneo se trata de una sustancia pura o de una mezcla. En los laboratorios se utilizan mucho las disoluciones. Por qué? Por varias razones. Imagínate que queremos utilizar para un experimento gramos de una sustancia sólida. Sería una locura trabajar con una cantidad tan pequeña. Cometeríamos muchos errores, ya que esta cantidad podría tener un volumen en torno a un milímetro cúbico. Pero si esta sustancia se mezcla bien con el agua, podríamos echar 1 g de ella y mezclarla con agua hasta completar un volumen total de un litro. La cantidad g, es 1/200 parte de 1 g, por consiguiente, si cogemos 5 cm 3 del litro de disolución, que es 1/200 parte del litro, tenemos la seguridad de que en esos 5 cm 3 hay g de nuestra sustancia. Un volumen de 5 cm 3 es una cantidad bastante cómoda de manejar. Por otro lado, otra ventaja es a la hora de hacer reaccionar nuestra sustancia con cualquier otra. Como veremos cuando estudiemos las reacciones químicas, una sustancia reacciona más rápido cuanto mayor sea el grado de división. Y nuestra sustancia en disolución se encuentra ya dividida al máximo. Una disolución puede encontrarse en estado sólido (como las aleaciones), en estado líquido (como las sales en el agua del grifo) o en estado gaseoso (como el aire). En los laboratorios se utiliza mucho, por las razones anteriores, disoluciones líquidas. A la sustancia que se encuentra en mayor cantidad, que se encuentra en el mismo estado que la propia disolución, se le llama disolvente. A la otra sustancia que se encuentra en menor proporción, se le llama soluto. En una disolución puede haber varios solutos. Por ejemplo, si disolvemos sal en agua, el agua es el disolvente, y la sal el soluto. Volumen de una disolución líquida Experimentalmente se comprueba que los volúmenes no se pueden sumar al formar una disolución. Es decir, al mezclar un determinado volumen de sal con un determinado volumen de agua, no se obtiene una disolución cuyo volumen sea la suma de estos dos volúmenes. Se comprueba que el volumen de la mezcla, siempre es menor que el de la suma de volúmenes. Al mezclarse las moléculas o átomos, ocupan menos, ya que entre los huecos de las moléculas de una sustancia se introducen las de la otra sustancia. La masa de una disolución sí que es la suma de las masas. Ya que el número de moléculas o átomos que tengamos antes de mezclar es el mismo que después de mezclar. Disolver sólidos en líquidos 5

6 Cuando se quiere formar una disolución de un sólido en un líquido, es conveniente tener en cuenta los factores que favorecen los factores que hacen el proceso de disolución más rápido. Primero, cuanto mayor sea el grado de división del sólido, más rápidamente se disuelve. Si queremos disolver sal en agua, se disuelve antes si echamos sal triturada que si echamos un trozo del mineral de sal. Las moléculas de agua tienen que atacar a las moléculas de sal para ir arrancándoles de la red cristalina. Esto ocurre antes, cuantas más moléculas de sal estén en contacto con las moléculas de agua. Segundo, si agitamos, hacemos que se disuelva antes. Ya que al agitar, hacemos que las moléculas de sal recién arrancadas, se separen del trozo de cristal para que otras moléculas de agua puedan atacar a las siguientes moléculas de sal. Y tercero, calentar mientras se disuelve. Se puede entender que aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de disolución ya que es otra menara indirecta de agitar. Concentración de una disolución Cuando formamos una disolución, podemos hacerla en distintas proporciones. Ya veremos en el siguiente apartado cómo puede expresarse numéricamente la proporción de soluto que hay en una disolución. Ahora, sólo introduciremos una terminología que se utiliza mucho al hablar de disoluciones relacionada con la concentración. Cuando a una disolución, no le cabe más soluto disuelto, es decir, si tratamos de disolver más, vemos que no se puede, se dice que la disolución está saturada. Por ejemplo, en un vaso de agua, se puede ir disolviendo sal poco a poco. Se observa que la sal desaparece completamente ante nuestros ojos. Pero llega un momento, en que si tratamos de disolver más sal, vemos que cae al fondo. Ya no se disuelve. Entonces, decimos que la disolución está saturada. Una disolución es concentrada, si le falta poco para que esté saturada. Es decir, tiene mucho soluto, con respecto al que le cabe. Por último, una disolución es diluida, si tiene poco soluto en comparación con el soluto que le cabe para que esté saturada. Si tenemos una disolución con una concentración grande y queremos transformarla a otra con una concentración menor, deberemos añadir disolvente. Así la proporción de soluto en la disolución disminuye. A este proceso, se le llama diluir. Como vemos, diluir es añadir disolvente a una disolución para hacer su concentración menor. Se confunde muchas veces diluir con disolver. Lo contrario a diluir es concentrar. Si queremos concentrar una disolución, lo más fácil, es añadir soluto: así, aumenta la proporción de soluto en la disolución. Solubilidad La solubilidad de una sustancia e n otra, es un dato numérico que nos informa de la cantidad máxima que se puede disolver la primera en la segunda 6

7 sustancia. Es decir, nos indica cuánta sustancia podemos mezclar para saturar la disolución. Este dato tiene sentido sobre todo, en disoluciones de solutos sólidos en líquidos, o de gases en líquidos, que es cuando se pueden saturar las disoluciones. Por ejemplo, al disolver alcohol en agua, no tiene sentido hablar de solubilidad, ya que esta disolución nunca se satura. Una manera muy habitual de expresar la saturación, es indicando cuántos gramos de soluto se pueden disolver el 100 g de disolvente. Este valor es distinto lógicamente para cada sustancia. Por ejemplo, la solubilidad de cloruro sódico (sal de cocina) en agua es de g g agua Esto significa que en 100 g de agua, o lo que es lo mismo para el caso del agua, en 100 cm 3 de agua, se pueden disolver 36 g de sal como máximo. La solubilidad del azúcar en agua es g g agua En 100 cm 3 de agua, s puede disolver 204 g de azúcar. Vulgarmente, decimos que el azúcar es más soluble en agua que la sal, ya que en el mismo volumen de agua, cabe más azúcar que sal. Los datos anteriores, son la solubilidad a 20ºC. Hay que indicar siempre la temperatura a la que se ha determinado la solubilidad, ya que la solubilidad depende de la temperatura. En general, al aumentar la temperatura de una disolución de sólido en líquido, aumenta la solubilidad. Así, si tenemos una disolución saturada, si la calentamos, podremos conseguir disolver algo más. Al contrario ocurre con las disoluciones de gases en líquidos. Si aumentamos la temperatura, le cabe menos gas disuelto. Por eso, podemos ver que al abrir una botella de refresco con gas, se escapa mucho gas si el refresco está caliente. Sin embargo, si está frío, no se escapa a penas gas al abrir la botella. Ahora podemos comprender lo perjudicial que puede ser que el agua de un río o un lago, aumente un poco. Los peces respiran el oxígeno que hay disuelto en el agua. Si aumenta la temperatura del agua, se escapa oxígeno, ya que no cabe tanto disuelto, y los peces, pueden morir asfixiados. Propiedades coligativas de las disoluciones Son propiedades que no dependen de la naturaleza de las sustancias que forman el soluto y el disolvente, ni de la cantidad en gramos de soluto que haya disueltos. Únicamente dependen de la cantidad de moléculas (o átomos) de soluto que hay disueltos. Las propiedades coligativas a las que nos vamos a referir son la temperatura de fusión, la temperatura de ebullición y la ósmosis. Cuando tenemos una sustancia pura, como por ejemplo agua (que sabemos que a la presión de una atmósfera funde a 0ºC y hierve a 100ºC), y le 7

8 disolvemos otra sustancia (da igual qué sustancia), la temperatura de fusión se hará menor que 0ºC. Ahora podemos entender mejor, por qué echamos sal en las carreteras para fundir el hielo. Al añadir sal al hielo, estamos haciendo que se mezclen y se forma una disolución de sal en agua, cuya temperatura de fusión no está a 0ºC, sino que a -17.8ºC. Por tanto, si estamos a una temperatura, por ejemplo de - 5ºC, estaremos a una temperatura por encima de la temperatura de fusión de la disolución de agua con sal. La temperatura de ebullición es una temperatura que está entre las temperaturas de ebullición de las dos sustancias. Así, si mezclamos sal y agua, la temperatura de ebullición será mayor de 100ºC. Tanto mayor cuantas más moléculas de sal disolvamos. Si por el contrario, disolvemos alcohol en agua, la temperatura de ebullición estará entre 100ºC y 78ºC, que es la temperatura de ebullición del alcohol. Veamos en qué consiste el fenómeno de la ósmosis. Supongamos que tenemos un tubo en forma de U, donde en la parte de abajo hay una membrana semipermeable, que separa la U en dos partes. Una membrana semipermeable es una membrana que deja pasar a través de sus poros moléculas muy pequeñas, como pueden ser las de agua. Si por ejemplo en el agua disolvemos sal, las moléculas de sal no caben por los poros de esta membrana. Imaginemos que echamos agua pura por una de las ramas del tubo en U. Qué pasará? Pues que poco a poco, irán pasando moléculas de agua a través de la membrana, hasta que el nivel del agua sea igual en las dos ramas. En el equilibrio, no significa que no estén pasando moléculas a través de la membrana. Lo que ocurre es que pasan moléculas de agua en ambos sentidos a igual velocidad. Imaginemos, que por una de las ramas del tubo en U echamos un poquito de sal para que se disuelva. Observaríamos que el nivel del líquido en la disolución de sal en agua, iría aumentando hasta llegar a un equilibrio, en el que el nivel del agua pura queda por debajo del nivel de la disolución. Explicación. Cuando echamos la sal en una de las ramas, estamos haciendo que las moléculas de agua de la disolución, tengan más dificultad en pasar por 8

9 la membrana, ya les están estorbando las moléculas más gordas de sal que hay mezcladas con ellas. Por tanto, se ha roto el equilibrio que antes de echar la sal había. Ahora van a pasar más moléculas de agua desde el agua pura hasta la disolución, que al revés. Por consiguiente, el volumen de disolución aumenta, y su nivel sube. Conforme sube el nivel, hace que la presión en el fondo de la disolución aumente, y obliga a las moléculas de agua de la disolución, que pasen más rápidamente hacia en agua pura a través de la membrana. En el momento que se igualen las velocidades de paso de las moléculas de agua en los dos sentidos, se alcanzará un nuevo equilibrio, pero con los niveles a distintas alturas. Al aumento de presión que aparece en la disolución, se le llama presión osmótica. Esta presión es muy importante para mantener las células hinchadas. 4. Expresiones de la concentración de una disolución Hay muchas maneras de expresar la proporción de soluto que hay en una disolución. Nosotros vamos a estudiar dos de ellas. Tanto por ciento en masa o en peso Se expresa la concentración de la disolución indicando en qué tanto por ciento en peso (o masa, es lo mismo) se encuentra el soluto en toda la disolución. Es decir, se indica los gramos de soluto que hay en 100 g de disolución. Se deduce fácilmente la siguiente fórmula para calcular la concentración por este método. m ( g) soluto % P = 100 m( g) disolución Donde m(g) significa la masa expresada en gramos. Esta forma de indicar la concentración se suele utilizar en disoluciones sólidas. Gramos por litro de disolución Se expresa los gramos de soluto que hay en cada litro de disolución. Para calcular la concentración den gramos por litro, se deduce fácilmente la siguiente expresión, m ( g) soluto g / l = V ( l) disolución Donde V (l) significa el volumen de la disolución expresado en gramos. Se utiliza esta manera en disoluciones de sólidos o gases en líquidos. Ejemplo Determinemos la concentración de una disolución saturada de sal en agua a 20ºC. La densidad de esta disolución es de 1030 g/l. Anteriormente, hemos dicho que la solubilidad de la sal en agua es de 9

10 g g agua Gabriel Villalobos Esto significa que en 136 g de disolución, 36 g son de sal y 100 g de agua. Lo tenemos todo para calcular la concentración en tanto por ciento en peso. m( g) soluto 36 g % P = 100 = 100 = 26.47% m( g) disolución 136 g Hay que interpretar correctamente este resultado. De cada 100 g de esta disolución, g son de sal. Para calcular la concentración en g/l, es necesario determinar el volumen de la disolución. Para ello, es necesario conocer la densidad de la disolución. Con la expresión de la densidad de la disolución, vamos a determinar el volumen de disolución que ocupa una masa de 136 g de disolución. m m 136 g d = V = = = l = 132 cm V d g 1030 l Luego los 136 g de disolución ocupan 132 cm 3. m( g) soluto 36 g g / l = = V ( l) disolución l = La interpretación de este resultado es que en cada litro de disolución hay g de sal. Tanto por ciento en volumen Se emplea para disoluciones de líquidos en líquidos o gases en gases. Se expresa la concentración de la disolución indicando en qué tanto por ciento en volumen se encuentra el soluto en toda la disolución. Es decir, se indica los litros de soluto que hay en 100 litros de disolución. En realidad puede ser cualquier unidad de volumen. Se deduce fácilmente la siguiente fórmula para calcular la concentración por este método. V ( l) soluto % V = 100 V ( l) disolución Donde V (l) significa el volumen expresado en litros. Esta manera de indicar la concentración la vemos mucho en las bebidas. Por ejemplo un whisky de 40º (cuarenta grados), es una disolución de varias sustancias en agua, y que el alcohol se encuentra en una concentración del 40% en volumen. En un litro de este whisky, 0.4 l = 400 cm 3 son de alcohol puro. g l 3 10