CURSO 2016 / Tema 3. Sistemas. materiales. Física y química para 2º ESO. Nombre..

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1 CURSO 2016 / 2017 Tema 3. Sistemas materiales. Física y química para 2º ESO Nombre..

2 Índice general: 1. Concepto de mezcla. Tipos. 2. Las disoluciones. 3. Tipos de disoluciones Según el estado físico de los componentes Según la proporción entre los componentes. 4. Concentración de las disoluciones. 5. Técnicas de separación de mezclas Separación de mezclas heterogéneas Separación de mezclas homogéneas. En esta unidad vas a aprender que las sustancias pueden mezclarse de manera que, en unos casos, los componentes puedan observarse a simple vista, mientras que en otros seas incapaz de saber si estás ante una sustancia pura o ante una mezcla. Para empezar, vas a preparar una mezcla tan sencilla que puedes hacerla en casa. Toma un poco de arena y unas piedras, y mézclalas entre sí. Describe lo que observas. Se distinguen ambas sustancias a simple vista? Sabrías cómo separarlas? Ahora mezcla entre sí la arena con limaduras o polvo de hierro. Describe lo que observas. Se distinguen ambas sustancias a simple vista? Sabrías cómo separarlas? El método para separar una mezcla como esta se denomina imantación. Estas experiencias son sencillas, pero al final de la unidad vas a conocer otros métodos de separación de mezclas más complejos.

3 Los sistemas materiales se pueden clasificar en: Sustancia pura: es aquella en la que, sea cual sea su estado de agregación, sus propiedades, tanto físicas como químicas, son uniformes en cualquier parte de ella, caracterizándola y permitiendo diferenciarla de otras sustancias. El agua se puede descomponer, mediante un proceso químico, en hidrógeno y oxígeno, pero no hay ningún procedimiento que nos permita descomponer el hidrógeno y el oxígeno en otras sustancias más simples. Así dentro de las sustancias puras distinguimos dos tipos: Compuestos: son sustancias puras que se pueden descomponer en otras más simples por medio de un proceso químico. Elementos: son sustancias puras que nos e pueden descomponer en otras más simples por ningún procedimiento. Mezcla: es un sistema material en el que se han combinado dos o más sustancias puras cuya proporción puede ser variable. Podemos distinguir dos tipos de mezclas: Mezcla heterogénea: es una mezcla en la que es posible distinguir sus componentes por procedimientos ópticos. Sus partículas son superiores a 10-6 m. Sistemas coloidales: en el límite entre las mezclas heterogéneas y las homogéneas se encuentran los sistemas coloidales. Se trata de mezclas que tienen, al menos, dos fases, una de ellas finamente dividida en pequeñas partículas (entre 10-6 y 10-9 m) a las que rodea completamente la otra sustancia. Mezcla homogénea o disolución: es una mezcla en la que no es posible distinguir sus componentes por procedimientos ópticos convencionales. Las partículas de la fase dispersa son inferiores a 10-9 m.

4 I. Dibuja cómo son y cómo se encuentran las partículas en cada uno de los casos: SUSTANCIAS PURAS ELEMENTO COMPUESTO MEZCLAS HETEROGÉNEA COLOIDAL HOMOGÉNEA

5 En la siguiente tabla se indica los principales tipos de sistemas coloidales: FASE DISPERSA SÓLIDO LÍQUIDO GAS FASE DISPERSANTE SÓLIDO Geles, jalea Espumas, piedra pómez LÍQUIDO Soles, pintura Emulsiones, mahonesa Espumas, nata batida GAS ---- Aerosoles, espray ---- En este vídeo se muestran los diferentes tipos de coloides con muchos ejemplos. Incluso del efecto Tyndall. goo.gl/cazbx9 Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más compuestos. Cuando una sustancia se disuelve en otra, se produce la separación y posterior dispersión de las partículas de uno de los componentes en el otro. El componente que está en menor proporción se denomina soluto. El componente que está en mayor proporción es el disolvente. Cuando los componentes de una disolución están en proporciones similares, el disolvente será aquella sustancia que se encuentre en el mismo estado de agregación que la disolución final.

6 II. Completa el cuadro: DISOLUCIÓN ESTADO DISOLUCIÓN ESTADO SOLUTO ESTADO DISOLVENTE Agua azucarada Alcohol sanitario Cava Aire Bronce Cómo se forman las disoluciones? Observa esta animación que permite ver cómo se disuelve un terrón de azúcar en agua a nivel molecular: goo.gl/qegckx

7 III. Qué ocurre si agitamos con una cuchara los componentes? IV. Qué sucede si aumentamos la temperatura del recipiente que los contiene?

8 3.1 SEGÚN EL ESTADO FÍSICO DE LOS COMPONENTES. V. Identifica las sustancias componentes de los ejemplos incluidos en la tabla anterior, busca información en textos o Internet. Disoluciones gaseosas: como las partículas de los gases se mueven libremente, se difunden entre sí con gran facilidad, y se consigue una mezcla homogénea con gran rapidez. El ejemplo más importante es el aire. Contiene una mezcla de gases en proporciones ligeramente variables: nitrógeno (78%), oxígeno (21%) y otros, como el dióxido de carbono (0,03%) y argón (0,93%). Disoluciones líquidas: las más importantes son las que implican al agua. Cuando las fuerzas con las que las moléculas del disolvente atraen a las partículas del sólido son mayores que las que ejercen ellas entre sí, consiguen separarlas y dispersarlas, formándose la disolución. Para que los líquidos formen una disolución

9 deben tener la propiedad de ser totalmente miscibles entre sí. Los gases se disuelven siempre en agua, en mayor o menor proporción, dependiendo de la presión que se les administre. Así se forman las bebidas carbónicas, como colas, tónicas, gaseosas, etc. El oxígeno disuelto en ríos y mares permite la vida animal y vegetal en su interior. Disoluciones sólidas: las más importantes son las aleaciones. Una aleación es una mezcla de metales que se obtiene agregando los componentes fundidos y enfriando la mezcla. Algunos ejemplos son el bronce, el acero y el latón. 3.2 SEGÚN LA PROPORCIÓN DE LOS COMPONENTES. La solubilidad es la máxima cantidad de solutos que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente. Es una proporción fija para cada pareja de soluto y disolvente a una temperatura determinada. La solubilidad se suele expresar en gramos de soluto por litro de disolvente (g/l). Hay diferentes tipos de disoluciones en función de la cantidad de soluto que vayas a disolver: Disolución diluida: en ella la cantidad de soluto es pequeña comparada con la solubilidad. Disolución concentrada: aquella en la que la cantidad de soluto es cercana a la solubilidad. Disolución saturada: aquella que no admite más cantidad de soluto sin añadir más disolvente a una determinada temperatura. La proporción entre soluto y disolvente es la máxima posible. En el fondo del recipiente aparece algo de soluto que ya no se puede disolver.

10 Según las características de cada soluto y de cada disolvente, la saturación se alcanzará antes o después. Se llama disolución sobresaturada a aquella que contiene más cantidad de soluto disuelto del que puede disolver. Se consigue aumentando la presión (en el caso de solutos gases) o la temperatura (en los solutos sólidos) y, luego, dejándola enfriar lentamente para conseguir que, al enfriarse, el exceso no precipite al fondo del vaso. Existen algunos factores que afectan a la solubilidad: Superficie de contacto: al aumentar, lo que se favorece por la pulverización del soluto, aumenta la rapidez de disolución porque las interacciones entre las partículas de soluto-disolvente son mayores. Agitación: al disolverse el soluto, las partículas deben difundirse por todo el disolvente. La agitación favorece la movilidad, aumentando la disolución. Temperatura: afecta a la rapidez y al grado de solubilidad. Al aumentar la temperatura se favorece el movimiento de las moléculas en la disolución. Además, provoca el aumento de la energía de las partículas que forman el soluto, lo que induce a una mayor facilidad de disgregación. En el caso de los gases, este mismo proceso de aumento de velocidad por aumento térmico provoca justamente lo contrario: que disminuya su solubilidad.

11 Presión: en el caso de solutos gases, su solubilidad es directamente proporcional a la presión. Es fácil observar cómo al abrir una botella que contiene una bebida con gas en su interior disminuye su presión y el gas abandona rápidamente la disolución, saliendo en forma de «explosión» de burbujas. En este vídeo se muestra la fabricación industrial de las bebidas carbónicas. goo.gl/4hcwjk Para conocer la composición concreta de una disolución emplearemos el concepto de concentración, que expresa de forma numérica la relación en que se encuentra el soluto frente al disolvente o la disolución. Concentración en porcentaje de masa Concentración % masa Masa g de soluto 100 Masa g de soluto Masa g de disolvente Concentración en porcentaje de volumen Concentración % volumen Volumen de soluto 100 Volumen de disolución Concentración en gramo por litro Concentración g/l Masa g de soluto 100 Volumen de disolución L

12 Ejemplo 1 Calcula la concentración en porcentaje de masa de una disolución de 20 g de cloruro de sodio (NaCl) en 0,3 L de agua (d=1kg/l). Ejemplo 2 Calcula la concentración expresada en porcentaje de volumen de una disolución preparada con 200 ml de alcohol etílico a la que hemos añadido agua hasta completar 500 ml de disolución. Ejemplo 3 Cuántos gramos de una disolución de cloruro sódico (NaCl) al 10 % en masa son necesarios para tener 20 g de NaCl puro?

13 Cuando dos o más sustancias se mezclan No hay reacción química Por tanto Sus propiedades químicas se conservan Entonces Se podrían volver a separar por procedimientos físicos 5.1 SEPARACIÓN DE MEZCLAS HETEROGÉNEAS. Filtración: se utiliza para separar líquidos y sólidos no solubles. Decantación: separar dos o más líquidos que no se mezclan. Centrifugación: separar líquidos y sólidos no solubles. Separación magnética: separar limaduras de hierro, por ejemplo.

14 5.2 SEPARACIÓN DE MEZCLAS HOMOGÉNEAS. Cristalización: un sólido soluble en el seno de un líquido. En estos casos, el compuesto que deseamos obtener debe ser soluble en un disolvente caliente y poco soluble en el mismo disolvente frío, siendo las impurezas que queremos separar insolubles en este mismo disolvente. Destilación: dos o más líquidos que se mezclan. Se basa en las distintas temperaturas de ebullición de las sustancias. Cromatografía: técnica empleada para reconocer las sustancias de una disolución, no para separarlas. Se basa en la distinta velocidad de difusión que sobre un mismo soporte tienen diferentes sustancias.

15 Actividades finales Actividades básicas 1 Indica cuáles de las siguientes mezclas son homogéneas y cuáles, heterogéneas: gaseosa, infusión de hierbas, batido de frutas, tazón de chocolate líquido y un cuenco lleno de arena y lentejas. 3 Cuáles de las siguientes mezclas son coloides: sangre, saliva, espuma de afeitar, jalea, ADN y amoniaco en agua. 4 Busca información en Internet acerca del rango de tamaño de las partículas existentes en el caso de mezclas homogéneas, heterogéneas y coloides. 5 Explica por qué unas sustancias no son capaces de disolver a otras. 6 Indica en qué tipo de disolución existe mayor proporción de soluto, en una disolución saturada o en una disolución muy concentrada? 7 Existen disoluciones con más de un soluto? Y con más de un disolvente? 8 Calcula la cantidad de una disolución de cloruro de potasio (KCl) al 15 % en masa que se necesita para obtener 12 g de soluto puro. Y si el caso fuera con una disolución de cloruro de sodio (NaCl)? 9 Calcula el porcentaje en masa que existe de cada componente de una disolución formada por 350 ml de agua y 15 g de azúcar. 10 Una disolución puede ser diluida y saturada al mismo tiempo? 11 Si la solubilidad del azúcar en agua es de 200 g/l a 20 ºC, qué cantidad de azúcar podremos disolver en 300 ml de agua a esa misma temperatura? 12 Escribe la diferencia entre una disolución saturada y otra sobresaturada. Cómo puedes transformar la sobresaturada en saturada? 13 Si quieres separar una mezcla de hierro en polvo con agua, qué método emplearías? 14 A partir de la gráfica indica cuál sería la solubilidad del clorato de potasio a 80 ºC.

16 15 Para tratar una herida, el médico te ha dicho que tienes que preparar una disolución de alcohol en agua al 35 %, si el alcohol del botiquín indica que es del 70 %, cómo lo harías? 16 Cuáles de las siguientes técnicas de separación de mezclas te permiten trabajar después con todos los componentes que hayas separado? A Cromatografía. B Recristalización. C Decantación. 17 Busca información en Internet e indica tres aleaciones importantes diferentes de las comentadas en la unidad. 18 En un experimento en el que destilas una disolución de sal común (cloruro de sodio) en agua, qué es lo que queda en el matraz de destilación cuando has separado toda el agua? 19 Qué método de separación de mezclas se está produciendo en la realidad en los terrenos que contienen salinas naturales? 20 Hemos visto en el texto que la solubilidad aumenta con la temperatura. Busca en Internet los valores de la solubilidad del cloruro sódico (NaCl) a distintas temperaturas y contesta, basándote en ello, la sal en las comidas se debe echar cuando están calientes o frías? Actividades de consolidación 21 Por qué al agitar una botella con una bebida carbónica los gases salen con más violencia que si no la agitas? 22 Los fabricantes de planchas indican que es mejor utilizar agua destilada en las planchas que agua del grifo, por qué crees que lo recomiendan?

17 23 Alguna vez habrás visto leche agria, en mal estado. Por qué ocurre eso? Qué fases eres capaz de observar en ella? 24 La cantidad de alcohol en las bebidas se expresa en grados. Qué significado tienen esos grados? 25 Explica detalladamente cómo prepararías 200 ml de una disolución de nitrato de sodio (NaNO3) al 12 % de masa si cuentas con un matraz de 100 ml. 26 Habrás observado que cuando sacas la ropa de la lavadora aparece húmeda pero sin gotear, por qué crees que pasa eso? Actividades avanzadas 27 A lo largo de un día cualquiera realizas tareas como estas: a) añades sal a la sopa, b) agregas azúcar a la leche, c) preparas un café, d) elaboras una mayonesa. Indica cuáles son disoluciones y cuáles coloides. 28 Se tiene una disolución de sal (NaCl) en agua al 20 % en masa. Si coges 100 g de ella, qué cantidad de sal obtendrás cuando se evapore todo el disolvente? 29 Si quieres preparar una disolución de hidróxido de potasio en agua de 2,5 g/l que contenga 20 g del soluto, qué cantidad de disolución debes obtener? 30 Si tienes una disolución al 30 % en masa, cuál sería la nueva concentración si añades agua suficiente hasta duplicar su volumen? 31 El amoniaco casero es una disolución de gas amoniaco en agua. Calcula la cantidad de amoniaco puro que contiene una botella casera que tiene un volumen de 0,25 L si su concentración es del 3 % en volumen. 32 Tienes una disolución de carbonato de sodio en agua (Na2CO3) del 25 %, a qué concentración equivale, expresada en g/l? 33 Qué cantidad de alcohol deberás añadir sobre agua para obtener 350 ml de disolución de alcohol en agua al 15 % en volumen? 34 Busca información en Internet y prepara un mural con las diferentes formas de contaminación medioambiental que provocan los coloides. 35 El agua de mar es una disolución de sal común en agua. En algunas poblaciones, como por ejemplo las islas, es preciso desalinizar el agua marina para conseguir agua potable. Busca información, y con ella explica las técnicas empleadas habitualmente para conseguirlo.