Tema 3 CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

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1 Clasificación de la materia 1 Tema 3 CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA 1. ÁTOMOS Y MOLÉCULAS SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS SUSTANCIAS PURAS MEZCLAS SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DE UNA MEZCLA SEPARACIÓN DE MEZCLAS HEROGÉNEAS SEPARACIÓN DE MEZCLAS HOMOGÉNEAS DISOLUCIÓN SOLUBILIDAD TIPOS DE DISOLUCIONES CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN ÁTOMOS Y MOLÉCULAS Si existiera un «martillo mágico» con el que se consiguiera pulverizar cualquier objeto y los trozos que se obtuvieran, a su vez, se pudieran convertir en otros más pequeños, al final se obtendrían unas partículas que forman parte de la materia. Estas partículas son los átomos. En la actualidad se conocen 118 átomos, que estudiaremos en otros temas. Cuando los átomos se unen entre sí, pueden formar moléculas. Una molécula es la unión de varios átomos, iguales o distintos, en número concreto. El agua H 2 O, está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O). La glucosa (un azúcar), C 6 H 12 O 6, está formado por 6 átomos de carbono (C), 12 átomos de hidrógeno (H) y 6 átomos de oxígeno (O)

2 2 Clasificación de la materia También la unión de átomo puede formar redes cristalinas: unión de un número muy grande (indefinido) de átomos de una forma ordenada en las tres dimensiones del espacio. La sal de cocina, cloruro sódico (NaCl), es una red cristalina formada por átomos de Na y átomos de Cl. 2. SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS. La materia se puede clasificar en sustancias puras y mezclas SUSTANCIAS PURAS La materia se considera sustancia pura cuando están formadas un solo tipo de moléculas. Por ejemplo, en el agua destilada encontramos única y exclusivamente moléculas de la sustancia agua (H 2 O). El oro está formado únicamente por átomos de oro (Au). Ambas son sustancias puras. También son sustancias puras las formadas por redes cristalinas como la sal de cocina. Las sustancias puras pueden ser: Sustancias simples o elementos: cuando están formadas por un solo tipo de átomos. Por ejemplo el aluminio (Al) o el oxígeno (O 2 ). Son los elementos que aparecen en la tabla periódica. Sustancias compuestas: cuando la única molécula que forma la sustancia pura está formada por átomos distintos. Por ejemplo el agua (H 2 O) 2.2. MEZCLAS La materia se considera una mezcla cuando está formada por varias moléculas distintas, es decir, está formada por más de una sustancia pura.

3 Clasificación de la materia 3 El aire atmosférico es un buen ejemplo de una mezcla en que encontramos varias sustancias simples, como el N 2, O 2, H 2, Ar y otras compuestas como CO, CO 2, etc. Las mezclas pueden ser: Homogéneas o disoluciones: aquellas cuyos componentes no pueden distinguirse a simple vista, ni siquiera con un microscopio ordinario. Tiene las mismas propiedades en todos sus puntos. Por ejemplo, cuando se disuelve azúcar en agua, una vez disuelto el azúcar, ya no puede diferenciarse del agua. Heterogéneas: aquellas cuyos componentes sí pueden distinguirse, muchas veces a simple vista. No tienen las mismas propiedades en todos los puntos. Es lo que sucede cuando se mezclan, por ejemplo, agua y arena. Los coloides son mezclas heterogéneas de aspecto homogéneo a simple vista. Sin embargo al microscopio se distinguen sus componentes. Ejemplos de coloides son la niebla, la gelatina, el merengue o la mahonesa. Se pueden distinguir de las disoluciones por el efecto Tyndall: los coloides dispersan la luz de un láser y las disoluciones no. 3. SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DE UNA MEZCLA En muchísimos procesos industriales (industrias alimentaria, petrolífera, siderúrgica, etc.) es necesario separar los distintos componentes que forman parte de una mezcla, ya sea homogénea o heterogénea. En este apartado estudiaremos los métodos más importantes, agrupados según el tipo de mezcla de que se trate. Estos métodos son físicos, pues no alteran las sustancias que forman la mezcla SEPARACIÓN DE MEZCLAS HEROGÉNEAS. FILTRACIÓN. Con este procedimiento podemos separar un sólido no disuelto en un líquido. Utilizamos un filtro y papel de filtro. Hacemos pasar la mezcla por un filtro suficientemente fino. El sólido no puede atravesar el filtro, por lo que queda retenido, y el líquido pasa por él y llega al recipiente que se coloca debajo.

4 4 Clasificación de la materia DECANTACIÓN. Este es el procedimiento adecuado para separar dos líquidos que no se pueden mezclar (líquidos inmiscibles) de distinta densidad. Por ejemplo, aceite y agua. Para ello se utiliza un embudo especial, llamado embudo de decantación. Los dos líquidos se colocan en el embudo. Dejamos reposar la mezcla para que se separen bien los componentes. En la parte inferior el embudo tiene una válvula que, al abrirse, deja caer primero el líquido de mayor densidad, que en este caso es el agua. Cuando termine de caer el agua se cierra la llave y recogemos el otro líquido en un recipiente diferente. SEPARACIÓN MAGNÉTICA. Sirve para separar mezclas en las que uno de los componentes tiene propiedades magnéticas (como hierro, níquel, cobalto) y el otro no. Para ello se utiliza un imán. En una mezcla formada por azufre y limaduras de hierro, este se puede separar con un imán gracias a su atracción magnética. TAMIZADO O CRIBA. Con este procedimiento separamos diferentes sólidos de distinto tamaño. Por ejemplo, arena y grava. Para ello se utiliza un tamiz o criba. Los granos más pequeños atraviesan el tamiz, y los más grandes son rete nidos SEPARACIÓN DE MEZCLAS HOMOGÉNEAS. CRISTALIZACIÓN. Este procedimiento se emplea para separar un sólido disuelto en un líquido; por ejemplo, sal común disuelta en agua. Para ello dejamos evaporar el líquido y el sólido aparecerá en el fondo del recipiente en forma de cristales. En el laboratorio llevamos a cabo este proceso utilizando un cristalizador, que es un recipiente donde el líquido se evapora lentamente y aparece el sólido en forma de cristales. En la imagen se observan los cristales de sulfato de cobre obtenidos a partir de una disolución de sulfato de cobre en agua.

5 Clasificación de la materia 5 DESTILACIÓN La destilación es un método que sirve para separar los líquidos mezclados en una disolución (líquidos miscibles). Se basa en la diferencia en las temperaturas de ebullición de cada componente. Para que la destilación sea eficaz, los líquidos deben tener puntos de ebullición que se diferencien en, al menos, 10 ºC. El material que se utiliza es un destilador, y el proceso empleado consiste en los siguientes pasos: 1. La mezcla se introduce en un matraz de fondo redondo cerrado y se calienta hasta que hierve. El componente con el punto de ebullición más bajo es el primero que comienza a convertirse en vapor. 2. El vapor se hace pasar por un tubo refrigerante en el que se enfría. El frío condensa el gas, que pasa a estado líquido. 3. El líquido obtenido se recoge en un vaso de precipitado o matraz erlenmeyer como sustancia pura. 4. Si continuamos calentando iremos obteniendo, progresivamente, todos los líquidos que forman la mezcla. CROMATOGRAFÍA Se utiliza para separar los distintos componentes de una mezcla homogénea aprovechando su distinta afinidad por un líquido o gas. Se suele utilizar en los test antidopaje que se realizan los deportistas DISOLUCIÓN Una disolución es una mezcla homogénea. Las disoluciones están formadas por dos componentes: El disolvente es el componente que está en mayor proporción. En el agua del mar, en la manzanilla pero en el café, el disolvente es el agua. El soluto es el componente que está en menor proporción. En una disolución puede haber más de un soluto. En el agua del mar, el soluto es la sal. En la

6 6 Clasificación de la materia manzanilla o en el café, los solutos son todas sustancias disueltas en el agua que le dan color y sabor, y también el azúcar que llevan disuelto en muchas ocasiones. El soluto y el disolvente pueden encontrarse en cualquiera de los 3 estados de agregación; en la tabla que aparece a continuación aparecen algunos ejemplos de disoluciones tomados de la vida cotidiana en los que el soluto y el disolvente aparecen en distintos estados de agregación. Esta tabla nos da una idea de la importancia de las disoluciones, pues multitud de sustancias naturales y artificiales se presentan de este modo incluso casi todos los procesos biológicos que tienen lugar en el interior de los organismos vivos suceden entre sustancias disueltas en agua. Podemos explicar la formación de disoluciones partir de la teoría cinético-molecular. Como ejemplo tomaremos la disolución de sal (o cloruro de sodio) en agua: cuando se disuelve la sal en agua, los granos de sal son atraídos por las moléculas de agua, de modo que cada grano de sal se va fragmentando (o rompiendo) en partículas de cloro y de sodio, que son muy pequeñas e invisibles a simple vista. Ésta es la razón de que no podamos distinguir a simple vista los componentes de una disolución SOLUBILIDAD No todas las sustancias se disuelven con la misma facilidad en un disolvente (por ejemplo, agua). Se le llama solubilidad de la sustancia a la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una cierta cantidad de disolvente a una cierta temperatura. Así pues, la solubilidad de las sustancias depende de la temperatura y del estado de agregación en que se encuentre el soluto; así, tenemos: Si el soluto es sólido o líquido, su solubilidad aumenta si aumenta la temperatura, es decir, se disolverá más cantidad de soluto si aumenta la temperatura de la disolución. Así, por ejemplo, es más fácil disolver el colacao en leche caliente que en leche fría. Si el soluto es gaseoso, su solubilidad aumenta si disminuye la temperatura, es decir, se disolverá más cantidad de soluto si disminuye la temperatura de la

7 Clasificación de la materia 7 disolución. Es lo que sucede, por ejemplo, con la cocacola: si se abre una botella se escucha salir menor cantidad de gas cuando ésta se encuentra en la nevera TIPOS DE DISOLUCIONES. A partir del concepto de solubilidad, podemos clasificar las disoluciones en varios tipos: a) Diluidas: son aquellas disoluciones que tienen una cantidad de soluto disuelta muy inferior a la solubilidad de dicho soluto. Lógicamente, para diluir una disolución deberemos añadirle mayor cantidad de disolvente (a este proceso se le llama dilución). b) Concentradas: son aquellas disoluciones que tienen una cantidad de soluto muy próxima al valor de la solubilidad de dicho soluto. Para hacer una disolución más concentrada deberemos añadirle más soluto. c) Saturadas: son aquellas disoluciones que tienen, a una cierta temperatura, la cantidad máxima posible de soluto que pueda estar disuelta. d) Sobresaturadas: son aquellas disoluciones que, tras previo cambio en la temperatura, pueden admitir una cantidad de soluto mayor que su solubilidad. Si, por ejemplo, el soluto es sólido, podrá disolverse una cantidad mayor de soluto si aumentamos la temperatura de la disolución CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN. La concentración de una disolución es una magnitud que nos indica la cantidad de soluto que hay disuelta en una cierta cantidad de disolvente o de disolución. Así pues, la concentración nos indica cuál es la proporción entre soluto y disolvente o disolución. Obviamente, cuanto mayor sea su valor, más concentrada será la disolución; cuanta más pequeña sea la concentración, más diluida será. Ahora bien, el soluto que se disuelve se reparte por igual en toda la disolución, lo cual significa

8 8 Clasificación de la materia que la proporción entre soluto y disolvente no depende de la cantidad de disolución que se examine. Un ejemplo de lo dicho sucede si disolvemos dos cucharadas de azúcar en un vaso de leche: la leche estará igual de dulce si nos tomamos medio vaso, una cucharada o el vaso entero. FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN. Existen muchas formas de expresar la concentración de una disolución. Este curso veremos solamente algunas de ellas PORCENTAJE EN MASA. Indica cuantos gramos de soluto hay en 100 g de disolución. Se calcula de la siguiente manera: masa de soluto % masa 100 masa de dilolución Masa de disolución = masa de soluto + masa de disolvente Una disolución al 30 % de glucosa (azúcar de mesa) en agua indica que en 100 gramos de disolución hay 30 g de glucosa (soluto). PORCENTAJE EN VOLUMEN. Indica cuanto volumen de soluto hay en 100 unidades de volumen de disolución. Se calcula de la siguiente manera: volulmen de soluto % volumen 100 volumen de disolución Volumen de disolución = masa de disolución / densidad de la disolución Para expresar la concentración del aire se suele decir que está constituido por el 21 % de oxígeno y el 79 % de nitrógeno. Esto quiere decir que en cada 100 L de aire hay 21 L de oxígeno y 79 L de nitrógeno. CONCENTRACIÓN EN g/l. Indica cuantos gramos de soluto hay en un litro de disolución. c (g/l) masa de soluto (g) volumen de disolución (L) Por ejemplo, cuando se indica que la concentración máxima de glucosa en sangre es de 1 g/l, significa que en cada litro de sangre debe haber como máximo 1 g de glucosa.