SISTEMAS MATERIALES: guía teórica 1) QUÍMICA: Es una ciencia experimental que estudia la naturaleza, composición y transformación de las substancias, desde el punto de vista de su estructura, propiedades y reacciones, como así también, las leyes que rigen dichas reacciones. 2) MATERIA Y CUERPO: La materia es todo aquello que posee masa y ocupa un lugar en el espacio, es decir aquello que compone el universo, por lo tanto podemos decir que materia es todo aquello que altera a nuestros sentidos. P/ej.: agua, arena, aire, etc. Denominamos material a las distintas clases de materia que podemos encontrar. Por lo tanto puede haber un mismo cuerpo formado por distintos materiales, o diversos cuerpos formados por un mismo material. Cuerpo es toda porción limitada de materia. Por ejemplo: una tiza, una barra de hierro, un vaso con agua, etc. 3) PROPIEDADES DE LA MATERIA: Son todas aquellas cualidades que permiten caracterizar a la materia. Se clasifican en tres grupos: a) Intensivas: son aquellas que no varían con la cantidad de substancia o cantidad de masa considerada, por ejemplo: color, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, color, olor, sabor etc. b) Extensivas: son aquellas que varían con la cantidad de substancia o cantidad de masa considerada, por ejemplo: masa, volumen, peso, etc. Podemos entonces definir substancia como la materia con las mismas propiedades intensivas, por ejemplo: el agua, la madera, etc. 4) MASA: Es la cantidad de materia que posee un cuerpo. Se mide en kilogramo = kg (para el sistema MKS), gramos = g (sistema cgs), unidad técnica de masa = utm (sistema técnico) 5) PESO: Es la fuerza con que la gravedad terrestre atrae a los cuerpos. Se mide en Newton = N (para el sistema MKS), dinas = dy (sistema cgs), kilogramos fuerza = Kgf (sistema técnico) 6) DENSIDAD: es la cantidad de masa por unidad de volumen de un cuerpo o materia dada. La densidad es el cociente entre la unidad de masa y la unidad de volumen. δ = m/v. Su unidad es: kg/m3 (para el sistema MKS), g/cm3 (sistema cgs), utm/m3 (sistema técnico) 7) PESO ESPECÍFICO: se define como el peso por unidad de volumen de un cuerpo o materia dada. El peso específico es el cociente entre la unidad de peso y la unidad de volumen. Pe = P/v. Su unidad es N/m3 (para el sistema MKS), dy/cm3 (sistema cgs), kilogramos fuerza = Kgf/m3 (sistema técnico) 8) ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA: Existen cinco estados de agregación de la materia (sólido, líquido, gaseoso, plasma y superfluído) con las siguientes características: a) SOLIDO: I) poseen forma y volumen propios, II) poseen sus moléculas en ordenación regular (estructura cristalina), III) son incompresibles, IV) predominan las fuerzas de atracción intermolecular sobre las de repulsión. b) LIQUIDO: I) poseen volumen propio, II) no poseen forma propia sino que adoptan la forma del recipiente que los contiene, III) son difícilmente compresibles, IV) las fuerzas de atracción intermoleculares equilibran a las de repulsión, V) poseen superficie libre plana y horizontal. c) GASEOSO: I) no poseen forma ni volumen propios, adoptan las del recipiente que los contiene, II) poseen mucha movilidad molecular, 1
III) son fácilmente compresibles, IV) no poseen superficie libre, V) las fuerzas de repulsión intermoleculares predominan sobre las de atracción. El cuarto estado de agregación se denomina plasma y consiste en un gas en estado ionizado, con características similares a un gas, pero más denso. El quinto estado de agregación se denomina superfluído y consiste en un líquido obtenido en laboratorio pero que se comporta de una manera muy particular: tiende a escaparse trepando por las paredes del recipiente que lo contiene. 9) CAMBIOS DE ESTADO: Los cambios de estado son transformaciones físicas en las cuales la materia cambia de estado de agregación, mediante una transferencia o intercambio de energía (calor). Durante dichas transformaciones, la temperatura del sistema permanece constante, denominándose Punto de Fusión, Punto de Ebullición, etc. A los cambios de estado que se producen por absorción de calor se los denomina cambios progresivos. A los que se producen con desprendimiento de calor se los denomina regresivos. Ejercicio 1: clasifique los cambios de estado de la materia indicando cuáles son progresivos y cuáles regresivos. 10) SISTEMAS MATERIALES: a) Definición: se denomina sistema material a un cuerpo o conjunto de cuerpos aislados para su estudio, es decir, una porción de universo aislada en forma real o imaginaria. b) Clasificación: se pueden clasificar según dos criterios: 1- Según su composición: i- Homogéneos: son aquellos que poseen las mismas propiedades intensivas en cualquier punto del sistema. Ejemplo: agua, alcohol, aire, etc. ii- Heterogéneos: son aquellos que poseen propiedades intensivas diferentes en dos o más puntos del sistema; presentando superficies de discontinuidad (interfases). Ejemplo: agua con dos cubos de hielo, agua y arena, etc. iii- Inhomogéneos: son aquellos que poseen propiedades intensivas diferentes en por lo menos dos puntos del sistema pero sin superficies de discontinuidad. Ejemplo: agua de mar, aire atmosférico, etc. 2- Según el intercambio con el medio ambiente: i- Abiertos: son aquellos que intercambian materia y energía con el medio ambiente. Por ejemplo una pava con agua hirviendo. En este ejemplo el intercambio de materia se da mediante la pérdida de masa del agua dentro de la pava hirviendo en forma de vapor de agua y el intercambio de energía se da en forma de calor, o sea, este sistema entrega calor al medio que la rodea. ii- Cerrados: son aquellos que solo intercambian energía con el medio ambiente. Por ejemplo, una lamparita encendida. 2
No hay pérdida de masa pero si intercambio de energía en forma de calor con el medio que la rodea. La luz es una radiación electromagnética que por sus características particulares, y al igual que toda radiación de este tipo, es una forma de energía iii - Aislados: son aquellos que no intercambian ni materia ni energía con el medio ambiente. Por ejemplo, un termo cerrado. c) Fase: es cada porción homogénea que componen un sistema heterogéneo. Un sistema heterogéneo puede ser bifásico, trifásico, tetrafásico, etc. Por ejemplo, supongamos tener un sistema material formado por agua, arena, aceite, limaduras de hierro y cubos de hielo: es un sistema heterogéneo formado por 5 fases (hielo, aceite, agua, hierro, arena) y 4 componentes (agua, aceite, hierro y arena). d) Componente: es cada una de las distintas materias que conforman el sistema material, sin importar en el estado de agregación en que se encuentren. e) Interfase: son superficies de discontinuidad entre fase y fase de un sistema heterogéneo. Ejercicio 2: Clasifique los siguientes sistemas materiales según el intercambio con el medio ambiente: a) Una botella de agua gasificada abierta b) Una heladera cerrada c) Un recipiente para conservar helado. Ejercicio 3: Clasifique el siguiente sistema material, indicando tipo de sistema y fases: 5 alfileres de hierro, limaduras de hierro, arena, alcohol, agua y sal disuelta dentro de un recipiente sin tapa. 11) COMPOSICIÓN CENTESIMAL: Se denomina así al porcentaje de cada componente en un sistema material. Supongamos que un sistema material está formado por 20g de agua, 5g de arena y 25g de aceite: Masa Total del Sistema: 20g + 5g + 25g = 50g Agua: Arena: Aceite: 50g ----------------- 100% 20g----------------- x = 40% 50g------------------ 100% 5g--------------------x =10% 50g------------------ 100% 25g----------------- x = 50% Entonces, la composición centesimal del sistema es: Agua = 40% Arena = 10% Aceite = 50% 12) SEPARACIÓN DE FASES: Existen varios métodos mecánicos para separar las fases de un sistema heterogéneo, dependiendo del estado de agregación de cada fase, estos métodos mecánicos permiten separar las fases sin alterar la estructura interna de la materia, por tal motivo se los llama también métodos físicos: I) Solubilización: Este método de separación consiste en disolver uno de los componentes sólidos del sistema en un solvente determinado, conociendo a priori que éste último es soluble en dicho solvente, por ejemplo, arena y sal. Se agrega agua caliente, disolviéndose la sal y permaneciendo la arena insoluble. Para la separación final del sistema se emplea el método siguiente. 3
II) Filtración: consiste en separar una fase solida de una líquida, por ejemplo al filtrar el componente disuelto en el punto anterior y recuperarlo (arena y agua salada), pasa el agua salada a través del filtro y queda la arena retenida en éste. III) Evaporación: para este método se aplica una fuente de calor al sistema de modo tal que se pueda evaporar el solvente de una solución, quedando el soluto en estado solido. Por ejemplo: al agua salada del punto anterior al aplicarle calor, se evapora el agua quedando así la sal en estado sólido en el fondo del recipiente. IV) Decantación: permite separar un sólido insoluble en un líquido ( por ejemplo, agua y arena) o dos líquidos inmiscibles de diferente densidad (por ejemplo, agua y aceite ). El componente más denso se ubica en la parte inferior del recipiente. Como puede verse en la figura más adelante, esto puede realizarse volcando el líquido sobrenadante en el primer caso o por medio de una ampolla de decantación en el segundo caso. V) Centrifugación: es una decantación acelerada por fuerza centrífuga. Por ejemplo, si colocamos tinta china en un aparato denominado centrífuga, al girar a gran velocidad, decantan las partículas de carbón suspendidas obteniéndose las dos fases separadas: agua y carbón. Para la separación completa, puede realizarse posteriormente una filtración o decantación. VI) Levigación: se emplea para separar dos sólidos por arrastre con corriente de agua. Por ejemplo, los buscadores de oro en los arroyos, que separan las pepitas de oro de la arena mediante una corriente de agua, como el oro es mas denso que la arena, este no es arrastrado por la corriente de agua. VII) Tamización: se utiliza para separar dos sólidos de diferente tamaño de partícula pasándolo a través de una tela denominada tamiz. Por ejemplo al tamizar sal fina y azúcar, como los cristales de sal son más pequeños que los de azúcar, pasan a través del tamiz mientras que los cristales de azúcar quedan retenidos, otro ejemplo son la harinas denominadas 000 y 0000 estos números indican el tamiz por donde pasaron. VIII) Sublimación: se emplea para separar un sólido volátil de otro no volátil por sublimación. Por ejemplo, al calentar una mezcla sólida de yodo y arena, el primero volatiliza y puede recuperarse colocando sobre la mezcla una superficie fría sobre la cual condensa el vapor de yodo. IX) Tría: para separar cuerpos sólidos grandes mediante pinzas. Por ejemplo, para separar trozos de corcho, cubos de hielo, clavos, etc. X) Imantación: se emplea para separar sólidos magnéticos de otros sólidos no magnéticos, como por ejemplo, limadura de hierro y arena. Al acercar un imán al sistema, éste retiene las partículas de limadura de hierro y puede decantarse la arena. En la figura siguiente se muestran algunos de los métodos empleados en la separación de fases: 13) Mecanismo Secuencial Separativo: Veamos como se plantea esquemáticamente la separación de un sistema material. Supongamos que el sistema está formado por, sal, limadura de hierro, limadura de cobre, trozos de corcho y piedra partida. Tenemos un sistema material heterogéneo formado por: 5 fases y 5 componentes Para poder separar cada fase: 1 por solubilización agrego agua al sistema para diluir la sal. 2 por tría retiro los trozos de corcho que flotan en el agua por tener menos densidad. 3 por filtración separo los sólidos del líquido (solución de sal en agua) 4 trabajo con los sólidos aplico calor para secar a los sólidos y por tamización separo la piedra del resto de los sólidos. 4
5 por imantación separo las limaduras de hierro y las limadura de cobre. 6 tomo la solución de sal en agua y por evaporación separo esta ultima del agua. Ejercicio 4: Proponga un mecanismo secuencial separativo para el siguiente sistema material: Arena, tres clavos de hierro, sal fina, limadura de hierro, limadura de cobre y naftalina molida. 14) DISPERSIONES: Son sistemas heterogéneos bifásicos en los cuales el componente que está en mayor proporción se lo denomina fase dispersante, y el de menor proporción, fase dispersa. De acuerdo al estado de agregación de cada fase se clasifican en: Nombre Fase Dispersa Fase Dispersante Ejemplo Sol Sólido o Agregado Sólida Sólida Cuarzo, Rubí Suspensión (Gel o Sol) * Sólida Líquida Tinta China (gelatina) Aerosol Sólido Sólida Gaseosa Humo Emulsión Sólida Líquida Sólida Queso Emulsión Líquida Líquida Leche Aerosol Líquido Líquida Gaseosa Nubes Espuma Sólida Gaseosa Sólida Piedra pómez Espuma Gaseosa Líquida Cremas heladas * Cuando la gelatina está caliente tiene un aspecto líquido y el sistema se denomina sol. Las dispersiones pueden clasificarse también según el tamaño de las partículas que forman la fase dispersa en: a) Dispersiones Groseras: la fase dispersa puede ser observada a simple vista o por medio de una lupa. Por ejemplo, bebidas gaseosas, talco y agua, azufre y limadura de hierro, etc. b) Dispersiones Finas: son sistemas dispersos en los cuales la fase dispersa no es observable a simple vista pero sí a través de un microscopio. Dentro de este grupo se encuentran las suspensiones como la tinta china y las emulsiones como la leche. c) Dispersiones Coloidales o Soles: son sistemas heterogéneos en los cuales la fase dispersa tiene un grado de división tal que solo puede distinguirse a través del ultramicroscopio. En este aparato, la luz incide lateralmente y las partículas suspendidas difunden la luz como puntos luminosos (efecto Tyndall). Comprenden este tipo de dispersiones los geles, el agua jabonosa, clara de huevo en agua, etc. d) Dispersiones Moleculares: son sistemas dispersos que no pueden distinguirse ni aún con el ultramicroscopio. Por lo tanto, se trata en realidad de sistemas homogéneos y es el caso de las soluciones. 15) SISTEMAS MATERIALES HOMOGÉNEOS: a) Clasificación: Los sistemas homogéneos, de acuerdo a su composición, se clasifican en sustancias puras y soluciones. I) Sustancias puras: son sistemas homogéneos con propiedades intensivas constantes que resisten los procedimientos mecánicos y físicos del análisis. Están formadas por una sola sustancia y presentan propiedades características (propias y exclusivas) de ellas. Ejemplos: agua, sal, etc. 5
Las sustancias puras se clasifican a su vez en: II) Sustancias Puras Simples: son aquellas que no pueden ser separadas en otras sustancias. Constituyen este grupo las sustancias elementales o elementos: Hidrógeno, Carbono, Azufre, Oxígeno, etc. III) Sustancias Puras Compuestas: son aquellas que pueden originar a través de reacciones de descomposición, sustancias puras simples. Es el caso del agua, el anhídrido carbónico, la sal, etc. IV) Soluciones: son sistemas homogéneos formados por dos o más sustancias puras o especies químicas. El componente que esta en mayor proporción, generalmente líquido, se denomina solvente o disolvente, y el que esta en menor proporción soluto. Si un soluto sólido se disuelve en un solvente líquido, se dice que es soluble, en cambio, si el soluto también es líquido entonces se dice que es miscible. Soluciones: Una solución (o disolución) es una mezcla de dos o más componentes, perfectamente homogénea ya que cada componente se mezcla íntimamente con el otro, de modo tal que pierden sus características individuales. Esto último significa que los constituyentes son indistinguibles y el conjunto se presenta en una sola fase (sólida, líquida o gas) bien definida. Una solución que contiene agua como solvente se llama solución acuosa. Si se analiza una muestra de alguna solución puede apreciarse que en cualquier parte de ella su composición es constante. Características de las soluciones (o disoluciones): I) Sus componentes no pueden separarse por métodos físicos simples como decantación, filtración, centrifugación, etc. II) Sus componentes sólo pueden separase por destilación, cristalización, cromatografía. III) Los componentes de una solución son soluto y solvente. Soluto es aquel componente que se encuentra en menor cantidad y es el que se disuelve. El soluto puede ser sólido, líquido o gas, como ocurre en las bebidas gaseosas, donde el dióxido de carbono se utiliza como gasificante de las bebidas. El azúcar se puede utilizar como un soluto disuelto en líquidos (agua). Solvente es aquel componente que se encuentra en mayor cantidad y es el medio que disuelve al soluto. El solvente es aquella fase en que se encuentra la solución. Aunque un solvente puede ser un gas, líquido o sólido, el solvente más común es el agua. La masa total de una solución es la suma de las masas de soluto y solvente: Masa de solución = masa de soluto + masa de solvente En símbolos diremos que: Sn = st + sv IV) En una disolución, tanto el soluto como el solvente interactúan a nivel de sus componentes más pequeños (moléculas, iones). Esto explica el carácter homogéneo de las soluciones y la imposibilidad de separar sus componentes por métodos mecánicos. Mayor o menor concentración Ya dijimos que las disoluciones son mezclas de dos o más sustancias, por lo tanto se pueden mezclar agregando distintas cantidades: Para saber exactamente la cantidad de soluto y de solvente de una disolución se utiliza una magnitud denominada concentración. Dependiendo de su concentración, las disoluciones se clasifican en diluidas, concentradas, saturadas, sobresaturadas. Diluidas: si la cantidad de soluto respecto del solvente es pequeña. Ejemplo: una solución de 1 gramo de sal de mesa en 100 gramos de agua. Concentradas: si la proporción de soluto con respecto del solvente es grande. Ejemplo: una disolución de 25 gramos de sal de mesa en 100 gramos de agua. Saturadas: se dice que una disolución está saturada a una determinada temperatura cuando no admite más cantidad de soluto disuelto. Ejemplo: 36 gramos de sal de mesa en 100 gramos de agua a 20º C. 6
Si intentamos disolver 38 gramos de sal en 100 gramos de agua, sólo se disolvería 36 gramos y los 2 gramos restantes permanecerán en el fondo del vaso sin disolverse. Sobresaturadas: disolución que contiene mayor cantidad de soluto que la permitida a una temperatura determinada. La sobresaturación se produce por enfriamientos rápidos o por descompresiones bruscas. Ejemplo: al sacar el corcho a una botella de refresco gaseoso. Modo de expresar las concentraciones Ya sabemos que la concentración de las soluciones es la cantidad de soluto contenido en una cantidad determinada de solvente o solución. También debemos aclarar que los términos diluidos o concentrados expresan concentraciones relativas. Las unidades de concentración en que se expresa una solución o disolución pueden clasificarse en unidades físicas y en unidades químicas. Unidades físicas de concentración Las unidades físicas de concentración están expresadas en función del peso y del volumen, en forma porcentual, y son las siguientes: a) Concentración masa - masa, indica: por ciento masa/masa %m/m = (masa de soluto) / (100 gramos de solución) b) Concentración volumen - volumen, indica: por ciento volumen/volumen %v/v = (cantidad de cc de soluto) / (100 cc de solución) c) Concentración masa - volumen, indica: por ciento masa/volumen % m/v =(masa de soluto)/ (100 cc de solución) a) Porcentaje peso a peso (% P/P): indica el peso de soluto por cada 100 unidades de peso de la solución. b) Porcentaje volumen a volumen (% V/V): se refiere al volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de la solución. c) Porcentaje peso a volumen (% P/V): indica el número de gramos de soluto que hay en cada 100 ml de solución. Ejercicio: Se tiene un litro de solución al 37%. Cuántos litros de agua se tienen que agregar para que quede al 4%? Resolvamos: El problema no indica las unidades físicas de concentración. Se supondrá que están expresadas en % P/V. Datos que conocemos: V = volumen, C= concentración V 1 = 1 litro C 1 = 37% 37% P/V = significa que hay 37 gramos de soluto en 100 ml de solución (solución = soluto + solvente). C 2 = 4% V 2 =? Regla para calcular disoluciones o concentraciones V 1 C 1 = V 2 C 2 Puede expresarse en: % P/V Reemplazando los datos que se tienen del problema, se obtiene: 7
Entonces, si tenemos un litro de solución al 37%; para obtener una solución al 4% es necesario tener un volumen de 9,25 litros; por lo tanto, para saber cuantos litros de agua hay que agregar al litro inicial, hacemos: V 2 V 1 = Volumen de agua agregado 9,25 1 = 8,25 litros Respuesta: Se deben agregar 8,25 litros de agua b) Métodos de fraccionamiento: son procesos físicos de separación. I) Destilación: consiste en transformar un líquido en vapor (vaporización) y luego condensarlo por enfriamiento (condensación). Como vemos, este método involucra cambios de estados. De acuerdo al tipo de solución que se trate, pueden aplicarse distintos tipos de destilación: 1) Simple: se emplea para separar el solvente, de sustancias sólidas disueltas (solutos). Este método se aplica principalmente en procesos de purificación, como por ejemplo, a partir del agua de mar puede obtenerse agua pura destilando ésta y quedando los residuos sólidos disueltos en el fondo del recipiente. En la figura siguiente se representa un aparato de destilación simple utilizado comúnmente en los laboratorios. 2) Fraccionada: se emplea para separar 2 o más líquidos miscibles de diferentes puntos de ebullición. El líquido de menor temperatura de ebullición destila primero. Para lograr obtener los líquidos puros se emplean columnas fraccionadoras, deflegmadoras o rectificadoras. Ej: alcohol (78.5'C) y agua (100'C). 3) CROMATOGRAFÍA: se emplea para separar solutos sólidos disueltos en solventes adecuados (cloroformo, acetona, tetra cloruro de carbono, etc.). Esta basado en la propiedad que tienen ciertas sustancias de absorber selectivamente a determinados solutos. Una fase, por ejemplo sólida, denominada fase fija absorbe los componentes de una mezcla. 8
Otra fase, denominada fase móvil (líquida o gaseosa), al desplazarse sobre la fase fija arrastra los componentes de la mezcla a distinta velocidad, con lo cual se separan. Existen distintas técnicas cromatográficas: en placa, en papel, en columna (HPLG, SL, SG). En la figura siguiente se representan dos técnicas cromatogréficas sencillas: La cromatografía en placa se emplea con fines cualitativos para identificar sustancias, mientras que la cromatografía en columna, se emplea cuantitativamente para separar sustancias. En la actualidad, se emplean equipos sofisticados denominados cromatógrafos de alta presión que mediante un sistema computarizado, identifican cuali y cuantitativamente los componentes de una mezcla. 16) ALOTROPÍA: Es la propiedad que tienen ciertas sustancias simples de existir en varias formas con propiedades diferentes. Por ejemplo el Carbono natural puede presentarse principalmente bajo la forma de grafito (estructura amorfa: átomos de carbono desordenados) o Diamante (estructura cristalina: átomos de carbono con una determinada ordenación regular). Existe una tercera variedad alotrópica de carbono denominada Buckley-60 conformada por 60 átomos de carbono en forma de esferas. 17) ELEMENTO: Componente más sencillo de una sustancia que no puede ser descompuesto en sustancias más simples por métodos químicos. La estructura de un elemento químico, es decir, la estructura de sus átomos es característica de cada uno de ellos y no puede ser considerada como combinación de otros elementos. Son las sustancias puras simples que se encuentran ordenadas en la Tabla Periódica de los Elementos. a) Nomenclatura: deriva del griego o del latín y hace referencia a sus propiedades, su descubridor o algún lugar: Radio (radiactivo), Einstenio (Einstein), Americio (América),etc. b) Símbolo: abreviatura convencional que permite representar a los elementos: c) Clasificación: los elementos pueden clasificarse en tres grandes grupos, de acuerdo a sus propiedades físicas y químicas: 1- METALES: presentan las siguientes características: I) todos sólidos excepto del mercurio, II) buenos conductores del calor y la electricidad, III) poseen brillo debido a la capacidad de reflejar las ondas luminosas, IV) sus moléculas en estado gaseoso son monoatómicas, V) forman óxidos básicos al combinarse con oxígeno, VI) son dúctiles (pueden ser estirados formando hilos delgados) y maleables (pueden ser deformados bajo presión formando láminas), VII) son electropositivos (tienen tendencia a perder electrones). Curiosidad: el metal puro más dúctil es el oro (Au), ya que un gramo de éste puede ser estirado hasta una longitud de 2.4 km. 9
2- NO METALES: presentan las siguientes características: I) son gaseosos (N, O, F, Cl), líquidos (Br), y sólidos (S, I, etc.), II) malos conductores del calor y la electricidad, III) no poseen brillo (tienen a refractar la luz), IV) sus moléculas en estado gaseoso son poli-atómicas, V) forman óxidos ácidos al combinarse con oxígeno, VI) son electronegativos (tienen tendencia a captar electrones). 3- GASES INERTES: también llamados Gases Raros o Gases Nobles: I) no se combinan formando compuestos (inercia química), II) son todos gaseosos, III) malos conductores del calor y la electricidad, IV) Constituyen este grupo: Helio, Neón, Argón, Criptón, Xenón y Radón. Un ÁTOMO es la mínima porción de materia. Esta definición es muy antigua, antes de que se conociera la estructura atómica. Hoy en día aún un niño de escuela primaria conoce lo que es un átomo y su composición. En un principio se creía que los átomos eran indivisibles e indestructibles. Hoy en día se sabe que están formados por partículas más pequeñas (protones, neutrones y electrones) y que pueden ser destruidos (en reacciones nucleares). Pero la destrucción de un átomo implica la destrucción de la materia, y la liberación de una inmensa cantidad de energía. Podemos dar una definición de elemento más intuitiva y moderna: Elementos son las distintas clases de átomos que se encuentran en la naturaleza. Cada tipo o clase diferente de átomo tiene su nombre y su símbolo, y eso es lo que llamamos elemento. El oxígeno, el ozono, el agua etc. están formados por átomos que tienen 8 protones y 8 electrones, y esos átomos corresponden al elemento que denominamos oxígeno. Existe una complicación adicional con la definición de elemento. También se denomina elemento a la sustancia simple. Se dice que el gas oxígeno es un elemento, o que el hierro metálico es un elemento. Esta definición también es válida y en los textos o en el uso corriente vas a encontrar la palabra elemento con cualquiera de las dos definiciones. Según la primera definición de elemento el grafito (lo que forma la mina de los lápices) y el diamante son dos sustancias simples diferentes formadas por el mismo elemento (carbono). Si se define elemento como sustancia simple el grafito y el diamante son lo que se denominan variedades alotrópicas del elemento carbono. Una MOLÉCULA es la mínima partícula de una sustancia que sigue conservando sus características y propiedades particulares. Cuando decimos que la fórmula química del agua es H 2 O estamos diciendo que una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno que se encuentran unidos. Por lo tanto esa es su fórmula molecular. La FÓRMULA MOLECULAR es la fórmula de una molécula, es decir, cuanto átomos de cada elemento están unidos formando una molécula de una determinada sustancia. Pero no todas las sustancias están formadas por moléculas. Esto se verá más adelante cuando se trate el tema Uniones Químicas. En las sustancias que no están formadas por moléculas su formula química corresponde a la mínima relación entre los elementos que la componen. Esta fórmula es la que se llama fórmula mínima o fórmula empírica. La FÓRMULA MÍNIMA O EMPÍRICA corresponde a la mínima relación entre los elementos que forman una sustancia. En las sustancias que no están formadas por moléculas la única fórmula que existe es la fórmula empírica o mínima. Este es el caso de: CaCl 2, Na 2 SO 4, Fe ó Cu. En las sustancias formadas por moléculas la fórmula molecular y la fórmula mínima pueden coincidir. Esto sucede cuando la fórmula molecular corresponde también a la mínima relación entre los elementos (no se puede simplificar). Es el caso de H 2 O, HNO 3 ó Br 2 O 5. En otras sustancias moleculares la fórmula mínima y la molecular no coinciden. En este caso, la fórmula molecular siempre es un múltiplo de la fórmula mínima y al simplificarla para obtener la mínima relación, se llega a la fórmula mínima. Es el caso de C 2 H6, C6H6, Cl2, P4 ó H 2 O 2, cuyas fórmulas mínimas son respectivamente: CH3, CH, Cl, P, y HO. En este aso la fórmula mínima no es la fórmula real, simplemente indica la mínima relación entre los elementos y es un instrumento para llegar a la fórmula molecular; la fórmula real de la sustancia es la molecular. 10
Guía de ejercitación: sistemas materiales y soluciones 1) A presión y temperatura ambiente En qué estado de agregación se encuentra: el aire, la arena y el agua? 2) Cuando se calienta el chocolate en barra para hacer cobertura de tortas, de qué estado a otro pasa el chocolate? 3) Indicar los nombres de los siguientes cambios de estados: a) Sólido a líquido b) Liquido a líquido c) Gas a líquido d) Sólido a gas 4) Cuando colocamos una cubetera llena de agua líquida H 2 O, en el freezer, Qué cambio de estado se produce con el agua?, que sucede con el volumen del agua?, teniendo en cuenta la 2º respuesta, cómo justificaría que las botellas de vidrio estallan en el freezer? 5) El dióxido de carbono CO 2, es llamado hielo seco porque pasa directamente del estado sólido al gaseoso. Indicar como se llama este cambio de estado. 6) El punto de fusión de una sustancia es -97º C y su punto de ebullición es de 55º C. indicar en que estado se encuentran las siguientes sustancias: a) a temperatura ambiente. b) a -100º C c) a -56º C d) a 100º C 7) Determinar cual será la densidad del cobre (Cu) sabiendo que una esfera de este metal de 43cm de diámetro si tiene una masa de 371kg. Volumen de la esfera = 4/3. r 3. 8) Se tiene una lata a 25º C en cuyo interior hay 1 litro (1000cm3) de aceite. Sabiendo que la masa del aceite es de 0,92kg. Calcular la densidad de dicho aceite. 9) Los metales aluminio (Al) y Platino (Pt) tienen una apariencia semejante. Dado un cubo de metal de 1 cm. de arista. Cómo se puede determinar si es uno u otro material? Datos δ Al = 2,70g/cm 3, δ Pt = 21,45g/cm 3. 10) Cuando se prepara el aderezo para ensaladas, Por qué flotan las gotitas de aceite? 11) En un recipiente graduado se vierte agua líquida H 2 O, hasta que la marca leída es 25cm 3. Se coloca en su interior un bloque de grafito (el grafito es una de las formas en que se encuentra en la naturaleza el elemento carbono, la otra es el diamante). La masa del bloque es de 13,5g y el nivel del agua sube hasta llegar a 31cm 3. Calcular la densidad del grafito. 12) Las siguientes propiedades fueron determinadas para un trozo de hierro (Fe). Indicar cuales de ellas intensivas y extensivas. a) Masa = 40g b) Densidad = 7,8g/cm 3 c) Color: brillante d) Punto de fusión: 1535º C e) Volumen: 5,13 cm 3 f) Insoluble en agua. g) Se oxida en presencia del aire húmedo. (Corrosión) 13) Las siguientes proposiciones se refieren a un sistema formado por 3 trozos de hielo (H 2 O) flotando en una solución acuosa de cloruro de potasio (KCl). Indicar cuales son correctas. a) es un sistema homogéneo. b) el sistema tiene 2 interfases c) el sistema tiene 3 fases sólidas y 1 líquida. d) el sistema tiene dos componentes. e) el sistema tiene 3 componentes. f) los componentes se pueden separar por filtración. 14) Se tiene azúcar y sal común totalmente disueltos en agua a 25º C. Señalar las afirmaciones correctas y justificar: a) la densidad es la misma en todas las porciones del sistema. b) el sistema esta constituido por más de una sustancia. c) el sistema tiene una sola fase a cualquier temperatura. 15) Indicar de los siguientes sistemas cuales son soluciones y cuales sustancias: a) agua salada. b) agua y alcohol. 11
c) mercurio (Hg) d) oxido de plata (Ag 2 O) e) Bromo líquido f) vino filtrado. 16) Indicar cuales de los siguientes sistemas son sustancias simples y cuales compuestas: a) cloruro de calcio (CaCl 2 ) b) oxigeno (O 2 ) c) Agua (H 2 O) d) azufre (S) e) oxido de zinc (ZnO) f) magnesio (Mg) 17) Indicar cuales de las siguientes afirmaciones son correctas y cuales no. Justificar A un sistema con un solo componente debe ser homogéneo B un sistema con dos componentes líquidos debe ser homogéneo. C un sistema con dos componentes gaseosos debe ser homogéneo. D un sistema con varios componentes distintos debe ser heterogéneo. E el agua esta formada por la sustancia oxigeno y la sustancia hidrogeno. F - por descomposición del agua se obtiene el elemento oxigeno y el elemento hidrogeno. G cuando el elemento hierro se combina con el elemento oxigeno se obtiene un oxido de hierro, que junto con otras sustancias forman la herrumbre H si se calienta una determinada cantidad de un líquido aumenta su volumen y en consecuencia también aumenta su masa. 18) Proponer sistemas materiales de: a) Dos fases y tres componentes b) Dos fases y tres componentes c) Dos fases y cuatro componentes d) Tres fases y dos componentes e) En cada caso explique con que métodos de fraccionan o separan las fases. 19) En los siguientes sistemas señalar fases y componentes; fraccionar o separar las fases y efectuar la composición centesimal: a) 200g de agua; 50g de arena; 10g de azúcar; 25g de hielo. b) 400g de agua; 100g de alcohol; 10g de sal; 30g de granos de pimienta. c) 300g de agua; 50g de aceite; 15g de clavos de hierro; 30g de polvo de hierro. d) 250g de alcohol; 80g de arena; 10g de alfileres. e) 200g de arena; 100g de trozos de corcho; 20g de sal. 20) En un tubo cerrado se colocan 5g de nitrógeno (N 2 ) y 8g de hidrogeno (H 2 ). Reaccionan formando amoniaco (NH 3 ). Cual es la masa final del sistema? 21) El nitrógeno forma varios óxidos con el oxigeno. Uno de ellos llamado gas hilarante (N 2 O). se forman cuando reaccionan totalmente 2,62g de nitrógeno con 1,50g de hidrogeno Cuanto N 2 O se formo? 22) Una cierta masa de Magnesio (Mg) reacciona totalmente 80g de oxigeno (O 2 ) produciendo 200g de oxido de magnesio (MgO). Indicar cuantos gramos de Mg han reaccionado. 23) Calcular la composición centesimal de un sistema formado por 15g de agua, 10g de arena, 25g de tiza y 32g de limaduras de hierro. El sistema en estudio es homogéneo o heterogéneo? 24) Calcular que masa de cada componente hay en 40g de una solución que tiene 80% m/m de agua y 20% m/m de acetona. 25) Una solución de de una sal en agua tiene una masa de 1,54kg y contiene 40% de sal. Calcular la masa de sal y la de agua que forman dicha solución. Indicar y justificar cuantos componentes y fases tiene el sistema. 26) El 40% de tritóxido de azufre (SO 3 ) es azufre (S). A - Cuántos kilos de S pueden extraerse de 350kg de ese compuesto? B - Qué masa de O 2 expresada en gramos, puede obtenerse a partir de dicha cantidad de oxido? 27) Se disuelven 16g de Bromuro de Potasio hasta ajustar con el disolvente un volumen de 0,50 litros Cuál es la concentración %m/v de la solución? 28) Cuántos gramos de hidróxido de sodio y de agua se necesitan para preparar 100g de una solución al 19,7% m/m.? 29) En que volumen de una solución acuosa de acido nítrico δ = 1,11g/ml y concentración 19% m/m hay 15g de acido nítrico? 30) Cuanto gramos de glucosa hay en 500ml de una solución al 10% m/m y densidad δ = 1,2g/ml. 12
31) Una solución acuosa contiene 8% m/m de concentración, y tiene una densidad de δ = 1,03g/ml. En que cantidad de solución se encuentran disueltos 33g de azúcar? 32) Calcular la cantidad de hidróxido de sodio y de agua que se necesita para preparar 8 litros de una solución acusa al 18% m/m cuya densidad es δ = 1,198g/ml. 13
TRABAJO PRÁCTICO: 1) Relación masa/volumen Materiales: Papel milimetrado Regla milimetrada Lápiz o lapicera Datos: En un trabajo experimental se ha determinado la masa (M) y el volumen (V) de distintas muestras de una misma sustancia, obteniéndose los datos que se consignan en la siguiente tabla. Muestra Masa (g) Volumen (ml) Densidad (g/ml) 1 34,45 4,40 2 44,46 5,70 3 62,80 8,00 4 78,88 10,10 5 100,35 12,80 6 121,99 15,60 a) Completar la tabla calculando los valores correspondientes a la densidad (M/V) b) Confeccionar un grafico con los datos de la tabla (en el papel milimetrado), representando en el eje de ordenada la masa en gramos y en el eje de abscisa el volumen en mililitros. Luego de haber marcado los puntos en los ejes, trazar una recta que pase lo más equidistante de dichos puntos. c) Interprete el grafico confeccionado. d) La densidad, depende o no de la masa? Por qué? 2) Los siguientes esquemas representan la disposición de las moléculas en los tres estados de agregación de la materia. Indicar a cual pertenece cada uno: Estado:... Estado:... Estado:... 3) Indicar a que estado de agregación pertenecen las siguientes características: Volumen constante y forma variable: Marcado predominio de las fuerzas de cohesión Forma y volumen constante Movimiento de traslación rectilíneo de las moléculas Presión sobre las paredes del recipiente Volumen y forma variables Cuando no están encerrados en un recipiente son expansibles Fluyen y se derraman. 4) señale el nombre de los siguientes cambios de estado: De agua liquida a vapor de agua: De cobre solio a cobre liquido: De oxigeno gaseoso a oxigeno liquido: De azufre liquido a azufre sólido: De naftalina solida a naftalina gaseosa: De yodo gaseoso a yodo sólido: 14
5) Analice la siguiente afirmación, indique si es correcta y justifique: Todo lo que modifica el tamaño, la forma, la posición o el estado de agregación de una sustancia es un cambio físico.. 6) Teniendo en cuenta los siguientes fenómenos: ebullición del agua movimiento de un cuerpo- disolución de sal en agua combustión de la leña oxidación del hierro evaporación del alcohol fusión del cobre descomposición del agua en hidrogeno y oxigeno. Indicar cuales son: Fenómenos físicos:.... Fenómenos químicos:........ Justificar:...... Sistemas materiales: 7) Indicar cual es la respuesta correcta: a) Cuando en un sistema material existe superficie de separación es: Homogéneo Heterogéneo Inhomogeneo b) una sustancia pura tiene todas sus moléculas: Diferentes Constituidas por átomos iguales Constituidas por átomos diferentes Iguales c) los sistemas homogéneos son aquellos que constan de: Una fase Dos fases Dos o mas fases Varias fases d) las sustancias compuestas están constituidas por átomos de: La misma especie Dos espacies 15
Tres especies Dos o mas especies 8) Indicar si los siguientes métodos pertenecen a métodos separativos o de fraccionamiento - Decantación - Filtración - Cristalización - Destilación - Tamización - Flotación - Cromatografía - Centrifugación 9) Completar el siguiente esquema Heterogéneo Sistemas materiales Sustancias puras Compuestas 10) Explicar cuales son las diferencias entre: Sustancia pura simple y sustancia pura compuesta:.... Sistema homogéneo y heterogéneo:. Sustancia y sistema homogéneo:. 16