EJERCICIOS PROPUESTOS 3.1 Según la definición de sistemas materiales homogéneos y heterogéneos, cómo se debe considerar un sistema formado por hielo picado en agua? Un sistema material homogéneo es aquel que tiene la misma composición y propiedades en cualquier porción del mismo. En este caso, la composición es la misma, pero las propiedades no (por ejemplo, la densidad es distinta en cada uno). Es, por tanto, un sistema heterogéneo. 3.2 Al mezclar dos sistemas materiales homogéneos, se produce siempre un sistema heterogéneo? No necesariamente. La mezcla de ciertos gases (sistemas materiales homogéneos) da como resultado el aire (sistema material igualmente homogéneo). La mezcla de agua (sistema material homogéneo) con aceite (sistema material también homogéneo) da lugar a un sistema material heterogéneo. 3.3 Explica cómo separar una mezcla de arena, sal común y serrín. Haz un esquema del procedimiento. Añadiendo la mezcla a un vaso con agua conseguimos que el serrín flote y podemos separarlo por arrastre. A continuación, removiendo, se disuelve la sal y podemos separar la arena por decantación o filtración. En el papel de filtro se queda la arena, y en el filtrado pasa la disolución salina. Seguidamente, por evaporación, podemos recuperar la sal. Sedimentación, decantación y flotación son técnicas muy usadas en minería o en la depuración de aguas residuales. 3.4 Indica cómo se podrían separar los componentes de una mezcla formada por agua, aceite y tetracloruro de carbono, sabiendo que son líquidos inmiscibles. Las densidades de cada uno son: agua 1 g / cm 3 ; aceite 0,92 g / cm 3 ; tetracloruro de carbono 1,59 g / cm 3. Si se colocan en un embudo de decantación saldrá primero el tetracloruro de carbono, luego el agua y, por último, el aceite. 3.5 Un sólido formado por partículas de 3 10 4 mm de tamaño está disperso en un líquido. Indica de qué tipo es la mezcla y cómo podrían separarse sus componentes. Se trata de una mezcla heterogénea y puede separarse mediante filtración, sedimentación o centrifugación. 3.6 Los coches llevan un filtro de aire dispuesto antes de que el aire se junte con la gasolina. Por qué crees que es necesario? En el aire hay partículas en suspensión que, al mezclarse con la gasolina para ir al carburador, pueden obturar o estropear algún dispositivo. Por eso se limpia el aire de aquellas partículas que lleva en suspensión. 3.7 Razona según el modelo cinético por qué cuanto más finamente dividido está un sólido, más rápidamente se disuelve. Para desmoronar una red cristalina sólida, las partículas de disolvente entran en interacción con las partículas del sólido estableciendo fuerzas atractivas que las arrancan de la red. Cuanto más dividido esté el sólido, más superficie de contacto habrá con el disolvente, más partículas susceptibles de disolverse y mayor rapidez de disolución.
3.8 Una mezcla de 22 ml de etanol y 22 ml de agua, ocupa un volumen final de 42,6 ml. Cuál crees que es la razón? Según la teoría cinética, las partículas que forman las sustancias dejan huecos entre sí. Al disolverse una sustancia en otra, las partículas de la primera se recolocan en los huecos dejados por la segunda, con lo que puede haber reajustes de volumen. Es decir, que el volumen de dos sustancias que se disuelven no es la suma de los volúmenes de ambas (no es aditivo). Esto sucede, por ejemplo, en la mezcla de etanol y agua, donde se da una disminución de volumen. 3.9 Explica el comportamiento de una disolución de etanol y agua al calentarla, si hierve a 90 C. La ebullición se inicia a 90 C, pero esta temperatura no permanece constante, sino que sigue subiendo progresivamente hasta 100 C, a medida que va desapareciendo el alcohol y la mezcla se concentra más en el otro componente, el agua. Es un comportamiento característico de las mezclas y permite distinguirlas de las sustancias puras. 3.10 Una sustancia de aspecto homogéneo comienza a hervir a 50 C y continúa hirviendo a medida que aumenta su temperatura. Es una disolución o una sustancia pura? Si tras empezar a hervir no mantiene constante la temperatura, significa que es una disolución, y no una sustancia pura. 3.11 Señala los pasos que se deben seguir para preparar 250 cm 3 si dispones de una probeta, azúcar, una balanza y agua. de una disolución de azúcar de 60 g/l, Calculamos la cantidad necesaria de azúcar, m: m (g) 60 g / L m 60 (g/l) 0,25 (L) 15 g 0,25 ( L) En un vidrio de reloj limpio y seco se pesan 15 g de azúcar. Se pasan a un vaso con una pequeña cantidad de agua destilada y se agita hasta disolver. Después, se vierte el contenido a un matraz aforado de 250 ml. Se pasan sucesivas porciones de agua por el vaso para recoger todo el azúcar y se vierte al matraz, sin rebasar el enrase. Al acercarnos a este, el agua se añade gota a gota con una pipeta hasta completar la disolución. Luego se etiqueta y se guarda. 3.12 La etiqueta de cierta marca de leche indica que contiene un 1,6% en peso de materia grasa. Si el litro de leche pesa 1060 gramos. cuál es la concentración de materia grasa en g/l? 1,6 Materia grasa total en 1 L de leche 100 1 060 (g) 16,96 g. Por tanto, la concentración es de 16,96 g / L. 3.13 Indica en cuáles de los métodos de separación citados se provoca un cambio de estado. Muchos de los métodos de separación de sustancias se basan en un cambio de estado: evaporación del disolvente (al ambiente o a sequedad), destilación en un alambique o destilación fraccionada del aire precedida de una licuación. 3.14 Explica el proceso que seguirías para obtener alcohol etílico (punto de ebullición: 78 C) a partir de vino tinto. El procedimiento consistiría en introducirlo en un alambique de destilación y empezar a calentar suavemente, para que la ebullición no arrastre demasiada agua en esta primera fracción. Cuando la mezcla empieza a hervir, lo primero que se evapora es el alcohol, que atraviesa el refrigerador donde condensa. En realidad, solo cuando la diferencia entre los puntos de ebullición de los integrantes de la mezcla es muy grande (en torno a 80 C) se puede proceder a una destilación simple. En caso contrario es preciso realizar destilaciones sucesivas para enriquecer la mezcla en alcohol. 3.15 Qué cantidad máxima de sulfato de cobre (II) se disolverá en 200 g de agua que se encuentra a 20 C? La solubilidad del sulfato de cobre a 20 C es de 21 g / 100 cm 3 de agua. Por tanto, en 200 g de agua se disolverán 42 g. 3.16 Cómo afecta la contaminación térmica de las aguas a la vida en ellas? Explícalo utilizando la teoría cinética. Tal como se cita en el texto, en el curso alto de los ríos, la temperatura es más baja, y la solubilidad del oxígeno en el agua, mayor, lo que favorece el desarrollo de especies que necesitan mucho oxígeno, como la trucha. La contaminación térmica es aquella que provoca un aumento artificial de la temperatura del agua, lo que disminuye la cantidad de oxígeno disuelto. En efecto, según la teoría cinética, al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética media de las moléculas de gas, que tienen más probabilidades de escapar de la disolución acuosa.
3.17 Para disolver mejor un terrón de azúcar, se agita el líquido con una cucharilla. Indica cuáles de las siguientes variables aumentan entonces: a) La velocidad del proceso. b) La solubilidad. c) La concentración de la disolución. La solubilidad varía con la temperatura, pero no tiene que ver con la agitación. Lo mismo cabe decir de la concentración. Por tanto, solo se modifica la velocidad del proceso. 3.18 Explica y compara los siguientes procesos. a) b) a) El esquema señala dos métodos para saber si una sustancia es un elemento o un compuesto: la descomposición térmica y la electrólisis. Al calentar, el sólido cambia de estado, pero no se descompone. Tampoco se descompone con la corriente, porque vuelve a su estado inicial al enfriarse. Por tanto, se trata de un elemento, y no de un compuesto. b) El clorato de potasio sí es un compuesto porque se descompone por calor en dos sistemas más simples. Para averiguar si los otros sistemas materiales son elementos, habría que realizar experimentos, pero, a juzgar por los nombres, el oxígeno es un elemento, y el cloruro de potasio, un compuesto, que podría descomponerse en cloro y potasio. 3.19 Explica qué tipos de procesos han tenido lugar en las siguientes situaciones y en qué se diferencian. a) Se separa una mezcla de hierro y azufre mediante un imán. b) Se calienta sulfuro de hierro hasta una temperatura muy alta y se descompone en dos sustancias diferentes: azufre y hierro. a) Es una mezcla heterogénea en la que cada sustancia mantiene sus propiedades. Pueden separarse con un imán, aprovechando las diferentes propiedades magnéticas de uno y otro y sin afectar a la estructura íntima de las sustancias. b) De entrada, el sulfuro de hierro es un compuesto, con sus propiedades características. Al calentarlo sufre una descomposición que hace que el compuesto desaparezca y surjan dos sustancias nuevas (elementos), cada una de ellas con propiedades características propias y distintas de las de la sustancia original.
CIENCIA APLICADA 3.20 Sabrías indicar cuál es la fase dispersante o disolvente y cuál la fase dispersa o soluto en la leche? El disolvente es el agua, y el soluto (fase dispersa) está formado por grasa, caseína, lactosa y trazas de otras sustancias. 3.21 Indica algunos coloides en forma de gel que utilizamos habitualmente. Gel de baño, jabón, lavavajillas, etc.
EJERCICIOS DE APLICACIÓN 3.22 Para cada gráfico, indica el rótulo adecuado. a) Sustancia pura (sólido). c) Sustancia pura (gas). b) Mezcla homogénea (gas). d) Disolución. 3.23 Razona cuál es la opción correcta. b) d) c) a) a) Todos los sistemas homogéneos son sustancias puras. b) Todas las sustancias puras son compuestos. c) Un compuesto es una sustancia pura que se puede descomponer en otras sustancias puras. d) Los elementos de un compuesto pueden estar en proporciones variables. La opción correcta es la c). La opción a) es incorrecta porque hay sistemas homogéneos, las disoluciones, que no son sustancias puras. La b) es incorrecta porque hay sustancias puras, los elementos químicos, que no son compuestos. La d) es incorrecta porque los elementos que forman un compuesto están siempre en una proporción definida. 3.24 Dibuja y explica procedimientos que puedan emplearse para separar en sustancias puras los sistemas materiales siguientes. a) Agua aceite. b) Arena sal común. c) Agua arena sal común acetona (la sal no es soluble en acetona). a) Son líquidos inmiscibles y se pueden separar con un embudo de decantación. El agua, más densa, saldrá primero. b) Se disuelve la mezcla en agua: la sal pasará a la disolución, y la arena no. Por filtración se separa la arena. Evaporando después se recupera la sal. c) Se filtra para separar la arena, que no se habrá disuelto ni en agua ni en acetona. Acto seguido, mediante una destilación fraccionada se recupera la acetona en el primer condensado. El resto será una disolución de sal en agua; al evaporarse esta, se recupera la sal. También se puede recuperar el agua continuando la destilación hasta recoger las fracciones de acetona y agua, cada una por su lado. En el fondo del matraz habrá quedado la sal.
3.25 Relaciona los apartados de las dos columnas. Propiedades características Tamaño de partícula Densidad Temperatura de ebullición Solubilidad Velocidad de difusión Técnicas de separación (sistemas materiales homogéneos y heterogéneos) Decantación, sedimentación Disolución, cristalización Filtración Cromatografía Evaporación, destilación 3.26 Calcula el tanto por ciento en peso de soluto en las siguientes disoluciones. a) 40 g de sal en 250 g de agua. b) 50 g de azúcar en 1 kg de disolución. c) 12 g de nitrato de plata en medio litro de agua. 40 (g) 12 (g) a) % peso 100 13,8 % c) % peso 100 2,3 % 40 (g) 250 (g) 500 (g ) 12 (g) 50 (g) b) % peso 100 5% 1 000 ( g) 3.27 El alcohol etílico, cuando alcanza una concentración de 0,04% en volumen en sangre, produce una intoxicación. Si una persona de 70 kilogramos tiene 5 litros de sangre, calcula el volumen de alcohol que produce la intoxicación. vol. de soluto vol. de disolución % en vol. % en vol. 100 vol. de soluto 5 000 (c m 3 ) 0,04 2 cm vo l. de disolu ción 100 3 100 3.28 Razona cuál es la opción correcta. a) La solubilidad de los gases aumenta con la temperatura. b) Los componentes de una disolución pueden mezclarse en proporciones variables. a) Es falsa. La solubilidad de los gases en un líquido disminuye con la temperatura. b) Es verdadera. Una disolución puede tener distintas concentraciones. c) La disolución concentrada es la que no admite más soluto disuelto. d) El soluto tiene distinto estado de agregación que la disolución. c) Es falsa. La disolución que no admite más soluto se denomina saturada. d) Es falsa. El soluto y el disolvente, es decir, la disolución, pueden tener el mismo estado de agregación.
PROBLEMAS DE SÍNTESIS 3.29 A partir de la gráfica, calcula: a) La solubilidad del clorato de potasio a 80 C. b) Qué ocurre con esa disolución de clorato de potasio si la enfriamos desde 80 C hasta 40 C? c) Qué cantidad de clorato se necesita para preparar una disolución saturada a 80 C en 500 cm 3 de agua? a) La solubilidad es de unos 40 g / 100 cm 3 de agua. b) La solubilidad a 80 C es de 40 g / 100 cm 3 de agua, y a 40 C es de 17 g / 100 cm 3. Suponiendo que una disolución saturada de esta sal a 80 C se enfría hasta 40 C, por cada 100 cm 3 de disolución precipitan 40 (g) 17 (g) 23 g. c) Se necesitan 40 (g) 5 200 g. 3.30 Cómo se puede demostrar experimentalmente que el agua destilada es una sustancia pura? Cómo se puede demostrar que no es un elemento? Podemos llevarla a ebullición anotando cada cierto tiempo la temperatura. Tras iniciarse la ebullición (100 C), la temperatura permanece constante, algo que no ocurriría si no fuera una sustancia pura. Para demostrar que no es un elemento, sino un compuesto, podemos comprobar que, mediante electrólisis, se descompone en oxígeno e hidrógeno, que se recogen sobre los electrodos positivo y negativo, respectivamente. 3.31 Describe el siguiente proceso. a) Se cita alguna propiedad característica de las sustancias puras? b) Cuál de las sustancias puede ser un elemento y cuál un compuesto? Por qué? a) Se cita una propiedad característica, la solubilidad, que nos permite saber que los dos sólidos A y C son distintos y que, por tanto, ha tenido lugar una descomposición. b) Puesto que el sólido A se descompone por el calor en otros más sencillos, significa que A es un compuesto. Probablemente, el gas B es oxígeno, que aviva, en efecto, las combustiones. No podemos saber si C es un elemento o un compuesto: habría que comprobar que, a su vez, no se descompone por calor o electrólisis. NOTA: El proceso describe la descomposición térmica del clorato de potasio (A) para dar oxígeno y cloruro de potasio (C), aunque pueden responderse las cuestiones sin este dato. 3.32 Se dispone de un vaso con 600 g de agua del grifo y de otro vaso con una disolución de 100 g de sal en 500 g de agua. Se calientan hasta ebullición y se anotan tiempos y temperaturas. Ambos líquidos empiezan a hervir en el minuto 8. Primer vaso: t (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 T ( C) 19 48 74 93 102,5 103,0 103,5 103,8 Segundo vaso: t (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 T ( C) 16 36 56 76 100,2 100,2 100,2 100,2 a) Representa los datos. b) Qué gráfica corresponde a la disolución salina? Cuál es su concentración en tanto por ciento en peso? c) De qué otras maneras se podría saber qué vaso contiene la disolución y cuál el agua?
a) b) La primera gráfica es la que corresponde a la disolución salina porque su temperatura de ebullición es más alta y no permanece constante durante el proceso (ello no se aprecia bien en la gráfica), al contrario que la segunda gráfica, típica de una sustancia pura. La concentración de la disolución es: % peso 1 00 ( g) 100 16,7 % 600 ( g) c) La forma más sencilla de saberlo (una vez descartada la posibilidad de probarlas), es colocar sendas muestras en dos cápsulas de porcelana y evaporar a sequedad. En una de ellas aparecerá gran cantidad de residuo seco (sal). 3.33 La solubilidad del azúcar en agua a 20 C es de 200 g/100 cm 3, y a 100 C sube hasta 490 g/100 cm 3. Si añadimos azúcar en exceso a una taza con 24 cm 3 de agua hirviendo: a) Qué cantidad de azúcar se disuelve? b) Qué ocurre cuando la disolución se enfría hasta 20 C? a) Según los datos, se disuelven 4,9 g en cada cm 3. Por tanto, se disuelven 24 (cm 3 ) 4,9 (g/cm 3 ) 117,6 g. b) A 20 C se disuelven solo 2 g/cm 3, con lo que en los 24 cm 3 se disolverán 48 g de azúcar. Por tanto, cristalizan 117,6 (g) 48 (g) 69,6 g. 3.34 Observa los gráficos, y describe en detalle los procesos que tienen lugar. a) Se trata de un proceso de cristalización. Las moléculas de líquido se han evaporado, y el sólido ha adoptado una estructura cristalina y se ha depositado en el fondo del vaso. b) El sistema final es distinto al inicial, lo que significa que el primero ha sufrido una descomposición. Como el sistema se ha calentado, la descomposición ha sido térmica. A juzgar por el gráfico, el primer sistema es un compuesto constituido por dos elementos y se ha descompuesto en sus elementos originales. 3.35 En un proceso de fabricación realizado en una industria química se obtiene una mezcla de dos sustancias gaseosas: propano (C 3 H 8 ) y clorometano (ClCH 3 ). El clorometano es soluble en agua pero no el propano. Observa el dibujo y explica: a) Qué procedimiento se ha seguido para separar las dos sustancias? b) Qué tipo de mezcla forman inicialmente los dos gases? a) Se ha aprovechado el hecho de que uno de los gases es soluble en agua y el otro no. Por tanto, si se hace burbujear la mezcla en agua, el clorometano se disuelve y el propano se recoge por arriba. Seguidamente, se calienta la disolución de clorometano para que dicho gas se desprenda. b) Los gases forman siempre una mezcla homogénea.
3.36 PARA PENSAR MÁS Las siguientes tablas de datos presentan la solubilidad en agua de dos sustancias puras: el oxígeno y el nitrato de sodio. 1) Solubilidad (g soluto/100 cm 3 ) 74 81 88 95 102,5 110 Temperatura ( C) 0 10 20 30 40 50 2) Solubilidad (mg soluto/l) 14,6 13,1 11,3 9,1 7,6 6 Temperatura ( C) 0 4 10 20 30 40 a) Representa gráficamente los datos. Cuál corresponde a cada uno? b) A partir de la gráfica, indica por aproximación la solubilidad de la sal y del oxígeno a 25 C. c) Qué cantidad de nitrato de sodio podemos disolver en 4 litros de agua a 30 C? a) El primero es el nitrato de sodio, porque su solubilidad aumenta con la temperatura. El segundo es el oxígeno, porque su solubilidad disminuye con la temperatura. b) La solubilidad aproximada del nitrato de sodio a 25 C es de 91 g / 100 cm 3. La solubilidad aproximada del oxígeno a 25 C es de 8 mg / L. c) Si a 30 C la solubilidad es de 95 g / 100 cm 3, en 1 L (1 000 cm 3 ) se disolverán 950 g, y en 4 L, 950 (g) 4 3 800 g. 3.37 Busca la curva de solubilidad del nitrato de sodio en la siguiente página de Internet y compárala con la que has obtenido en el ejercicio anterior. www.e-sm.net/fq3eso05 A continuación, abre el applet y escribe una lista ordenando la solubilidad de todas las sales de sodio que aparecen. En qué lugar se halla la sal común? Los datos de la tabla del ejercicio anterior permiten confeccionar la primera parte de la curva que aparece en la página web, que llega casi hasta los 100 C. En el applet aparecen datos de nueve sales de sodio. La solubilidad de la sal común ocupa el 5. o lugar. Yoduro Bromuro Nitrato Cromato Cloruro Sulfato Sulfuro Fosfato Carbonato de sodio de sodio de sodio de sodio de sodio de sodio de sodio de sodio de sodio 1 840 g / L 1 160 g / L 921 g / L 873 g / L 357 g / L 195 g / L 154 g / L 88 g / L 71 g / L
3.38 Se tiene un ácido acético de densidad 1,16 g/cm 3. Con 20 cm 3 de este ácido y 80 g de agua se prepara una disolución. El volumen final de la disolución es de 100 cm 3. Calcula su concentración en porcentaje en peso, en porcentaje en volumen y en g/l, así como la densidad de la disolución. Los 20 cm 3 de ácido tienen una masa m V d 20 (cm 3 ) 1,16 (g / cm 3 ) 23,2 g. 23,2 (g) % peso 100 22,5 % 23,2 (g) 80(g) Concentración en porcentaje: 3 20 ( cm ) % volumen 1 3 20 % 00 ( cm ) Concentración en g / L 2 3, 2 ( g) 232 g / L 0, 1 ( L) Densidad de la disolución: d m V 23,2 ( g) 80(g) 100 ( cm 3 1,03 g / cm ) 3
TRABAJO EN EL LABORATORIO 1 Cuál es la mezcla heterogénea? Qué técnica de separación se usa? La mezcla heterogénea está formada por sulfato de cobre (II) y arena. Sus componentes se separan por disolución selectiva seguida de filtración. 2 Dónde aparece una mezcla homogénea? Cómo se separan sus componentes y qué sustancia pura resulta? La mezcla homogénea es la del sulfato de cobre (II) en agua. Sus componentes se separan mediante evaporación a sequedad y mediante evaporación al ambiente. Se obtiene sulfato de cobre (II) cristalizado.