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MATERIA: SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS
La materia es todo lo que nos rodea. Posee masa y ocupa un lugar en el espacio. La materia puede describirse midiendo el valor de sus propiedades; por ejemplo: la densidad, el color, la masa, el volumen, etc.
Estas propiedades de la materia se clasifican en propiedades generales y propiedades características. Las propiedades generales son comunes a todo tipo de materia y no nos sirven para identificarla (masa, volumen, longitud, temperatura) mientras que las propiedades características tienen un valor propio para cada sustancia y nos sirven para identificarlas (densidad, color, conductividad, temperatura de fusión).
La principal división que se hace de la materia es en sustancias puras y mezclas de sustancias puras. Las sustancias puras tienen unas propiedades características propias; mientras que, las mezclas, no.
Por ejemplo, si tenemos un vaso con agua y otro que tiene agua y sal podemos distinguirlos basándonos en propiedades características.
Las propiedades características del agua son: densidad de 1 g/cc, temperatura de fusión de 0ºC y de ebullición de 100 ºC a la presión atmosférica. La mezcla de agua y sal tendrá una densidad, un punto de fusión y un punto de ebullición cuyos valores dependerán de la proporción en que se encuentren sus componentes.
Sustancias Puras
Una sustancia pura es aquella cuya composición no varía, aunque cambien las condiciones físicas en que se encuentre. Por ejemplo, el agua tiene una fórmula que es H2O y es siempre la misma, lo que indica que está formada por moléculas en las que hay 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno. Si cambiara esa fórmula, sería otra sustancia diferente.
Una sustancia pura no se puede descomponer en otras sustancias más simples utilizando métodos físicos.
Una sustancia pura tiene propiedades características propias o definidas.
Dentro de las sustancias puras se distinguen 2 tipos: Elementos y compuestos.
Los elementos son sustancias puras que no se pueden descomponer en otras más simples por ningún procedimiento. Están formadas por un único tipo de átomo. Son todos los de la tabla periódica. En su fórmula química solo aparece el símbolo de un elemento. Ej: octoazufre (S8), dihidrógeno (H2), dioxígeno (O2), hierro (Fe).
En la naturaleza, podemos encontrar 91 elementos diferentes y, de forma artificial, se han obtenido casi treinta más, aunque son muy inestables. Todas las demás sustancias que conocemos se forman por combinación de esos 91 elementos.
Los compuestos son sustancias puras que sí se pueden descomponer en otras sustancias más simples (elementos) por medio de métodos químicos. En su fórmula química aparecen los símbolos de 2 ó más elementos. Ejemplo: Agua (H2O) -formada por los elementos hidrógeno y oxígeno, sal común (NaCl) - formada por loselementos sodio y cloro, amoniaco (NH3) - formado por los elementos nitrógeno e hidrógeno.
Mezclas
Una mezcla es la combinación de dos o más sustancias puras que se pueden separar mediante métodos físicos. No tiene propiedades características fijas, depende de su composición. Su composición puede variar.
Podemos diferenciar dos tipos de mezclas: heterogéneas y homogéneas.
Una mezcla heterogénea es una mezcla en la que es posible distinguir sus componentes a simple vista o mediante procedimientos ópticos. Ejemplo: Agua y aceite, granito, etc.
Una mezcla homogénea es una mezcla en la que no es posible distinguir sus componentes ni a simple vista ni a través de ningún procedimiento óptico. Este tipo de mezcla también se llama disolución. Ejemplo: agua con azúcar, aire, acero, etc.
Podemos encontrarnos mezclas con aspecto homogéneo pero que, realmente, son heterogéneas y reciben el nombre de coloides. Una forma de diferenciar un coloide de una disolución es mediante el efecto Tyndall, que consiste en que un coloide es capaz de dispersar la luz que lo atraviesa mientras que una disolución, no. Por tanto, un coloide es una mezcla heterogénea que dispersa la luz. Por ejemplo, la niebla es un coloide de aire y agua.
Un caso especial de coloides son las emulsiones (como por ejemplo la mayonesa o la leche) en el que las partículas que están en menor proporción están dispersas por la existencia de una tercera sustancia llamada emulsionante. La mayonesa es una emulsión formada al dispersar aceite en un medio acuoso, la yema de huevo, que contiene un emulsionante denominado lecitina. La lecitina rodea a las gotitas de aceite e impide que se unan unas a otras.
Actividades:
1. ¿Qué es la materia?
2. ¿Cuáles son las propiedades generales de la materia? Pon tres ejemplos.
3. ¿Cuáles son las propiedades características de la materia? Pon tres ejemplos.
4. Haz un mapa conceptual de la clasificación de la materia.
5. Clasifica las siguientes sustancias en "sustancia pura elemento", "sustancia pura compuesto", "mezcla homogénea" o "mezcla heterogénea".
a) Agua mineral b) Agua destilada (H2O) c) Agua con arena d) Hierro e) Bronce
f) Aire g) Oxígeno h) Sal común (NaCl) i) Agua con azúcar
Separación de mezclas
Las sustancias puras que forman una mezcla se pueden separar utilizando procedimientos físicos. El método empleado depende fundamentalmente de las propiedades de las sustancias que se quieren separar (tamaño de partícula, punto de ebullición, densidad, etc.).
Existen multitud de técnicas, las más usuales son:
Para separar mezclas heterogéneas:
- Criba: La criba es un procedimiento que se emplea para separar mezclas heterogéneas sólidas donde uno de los componentes tiene un tamaño muy distinto al otro. Ej: Arena y piedras.
- Filtración: La filtración es un procedimiento que se emplea para separar mezclas heterogéneas sólido-líquido donde el sólido es insoluble en el líquido. Ej.: Arena y agua.
- Separación magnética: La separación magnética es un procedimiento que se emplea cuando uno de los componentes de la mezcla es ferromagnético (Fe, Ni, Co), el cuál se separa del resto empleando un imán.
- Decantación: La decantación es un procedimiento que se emplea para separar mezclas heterogéneas de líquidos inmiscibles con diferente densidad. Para este procedimiento se usa un embudo llamado embudo de decantación, que tiene una válvula en la parte inferior. Cuando los dos líquidos están claramente separados, la válvula se abre y sale el primero que es el líquido de mayor densidad. Ej: Agua y aceite.
Para separar mezclas homogéneas:
- Cristalización: La cristalización es un procedimiento que se emplea para separar mezclas homogéneas de un sólido disuelto en un líquido. Esta técnica consiste en hacer que cristalice un soluto sólido con objeto de separarlo del disolvente en el que está disuelto. Para ello es conveniente evaporar parte del disolvente o dejar que el proceso ocurra a temperatura ambiente. Si la evaporación es rápida se obtienen cristales pequeños y, si es lenta, se formarán cristales de mayor tamaño.
- Destilación: La destilación es un procedimiento que se emplea para separar mezclas homogéneas de dos líquidos miscibles que hierven a temperaturas muy diferentes o también un sólido que tiene un líquido disuelto.
Es el caso, por ejemplo, de una disolución de dos componentes, uno de los cuáles es volátil (es decir, pasa fácilmente al estado gaseoso). Cuando se hace hervir la disolución contenida en el matraz, el componente volátil, que tiene un punto de ebullición menor, se evapora y deja un residuo de soluto no volátil. Para recoger el disolvente así evaporado se hace pasar por un condensador por el que circula agua fría. Ahí se condensa el vapor, que cae en un vaso o en un erlenmeyer.
Ejemplo: Esta técnica se emplea para separar mezclas de agua y alcohol. El alcohol es más volátil que el agua y es la primera sustancia en hervir, enfriándose después y separándose así del agua.
- Cromatografía: La cromatografía es un procedimiento que se emplea para separar los distintos componentes de una mezcla homogénea aprovechando su diferente afinidad por un disolvente.
En todas las técnicas cromatográficas hay una fase móvil, que puede ser un líquido o un gas, y una fase estacionaria, que suele ser un sólido. Los componentes de la mezcla interaccionan en distinta forma con la fase estacionaria. De este modo, los componentes atraviesan la fase estacionaria a distintas velocidades y se van separando.
Un ejemplo, es la cromatografía en papel, un proceso muy utilizado en los laboratorios para realizar unos análisis cualitativos ya que, pese a no ser una técnica muy potente, no requiere de ningún tipo de equipamiento. La fase estacionaria está constituida simplemente por una tira de papel filtro. La muestra se deposita en un extremo colocando pequeñas gotas de la disolución y evaporando el disolvente. Luego el disolvente empleado como fase móvil se hace ascender por capilaridad. Esto es, se coloca la tira de papel verticalmente y con la muestra del lado de abajo dentro de un recipiente que contiene fase móvil en el fondo.
Técnica de separación Propiedad en la que se basa
Criba Solubilidad
Filtración Densidad
Destilación Punto de ebullición
Separación magnética Tamaño de partícula
Cristalización Ferromagnetismo
Decantación Volatilidad
Actividades:
7. Realiza la "actividad 6" que aparece como archivo adjunto al final del tema.
8. Realiza la "actividad 7" que aparece como archivo adjunto al final del tema.
9. Haz un mapa conceptual con las diferentes técnicas de separación de mezclas.
10. ¿Qué técnica de separación utilizarías para separar las siguientes mezclas?
a) Azúcar y agua b) Arena y sal común c) Limaduras de hierro y limaduras de plomo
d) Agua y gasolina e) Agua y acetona f) Harina y sal
11. Relaciona mediante una flecha las técnicas de separación con las propiedades en las que se basan:
MEZCLAS HOMOGÉNEAS: DISOLUCIONES
Una disolución es una mezcla homogénea formada por 2 ó más sustancias puras en proporción variable. Las disoluciones pueden ser binarias (2 componentes), ternarias (3 componentes), etc. Ejemplo: Una mezcla de agua con sal es una disolución.
El componente de la disolución que se encuentra en mayor cantidad o proporción se llama disolvente y el o los que aparecen en menor cantidad o proporción se llama/n solutos. Ejemplo: En una disolución de sal en agua, la sal es el soluto y el agua es el disolvente.
Cuando en una disolución hay muy poco soluto, la disolución es diluida. Cuando la proporción de soluto es considerable se dice que es concentrada. Si ya hemos alcanzado la máxima cantidad de soluto que se puede disolver, la disolución está saturada. Advirtamos que, en algunos casos, una disolución puede ser a la vez diluida y saturada, cuando el soluto es realmente poco soluble.
Tipos de disoluciones
Las disoluciones están compuestas de dos o más sustancias, cada una de las cuales puede presentarse en un estado físico distinto. En el cuadro siguiente se muestran ejemplos de disoluciones en diferentes estados físicos:
Modos de expresar la concentración de las disoluciones
Las disoluciones pueden clasificarse en concentradas o diluidas según la cantidad de soluto sea grande o pequeña con respecto a la cantidad de disolvente. Pero estos términos son cualitativos, no dan una cantidad exacta medible. Para ello, se emplea el término concentración.
La concentración de una disolución es la cantidad de soluto que hay disuelto en una determinada cantidad de disolvente o en una determinada cantidad de disolución.
Existen distintas formas de expresar la concentración de una disolución:
- Porcentaje en masa
- Porcentaje en volumen
- Concentración en masa.
Porcentaje en masa
El porcentaje en masa nos indica los gramos de soluto que hay en 100 g de disolución. Se calcula a partir de la siguiente expresión:
Las masas de soluto y de disolución deben ir en las mismas unidades (gramos,kilogramos, etc.).
RECUERDA: masa de disolución = masa de soluto + masa de disolvente
El porcentaje en masa de soluto se llama también "riqueza de soluto".
Porcentaje en volumen
El porcentaje en volumen nos indica el volumen de soluto que hay en 100 unidades de volumen de disolución. Se calcula a partir de la siguiente expresión:
Los volúmenes de soluto y de disolución deben ir en las mismas unidades (mililitros, litros, etc.).
Concentración en masa
La concentración en masa nos indica la cantidad de masa de soluto que hay en cada unidad de volumen de disolución. Se calcula a partir de la siguiente expresión:
Concentración en masa = Masa de soluto / volumen de disolución
Se suele expresar la masa de soluto en gramos y el volumen de disolución en litros. Así, se expresaría la concentración en masa como g/L.
RECUERDA: La concentración en masa no es igual a la densidad. La densidad de una disolución representa la relación entre la masa y el volumen de la disolución.
Densidad = masa de disolución / volumen de disolución
Actividades:
14. Indica cuál es el soluto o solutos y cuál el disolvente:
| Disolución | Soluto/s | Disolvente |
| 30 mL de alcohol en 100 mL de agua | ||
| Agua de mar | ||
| Vinagre (ácido acético al 3% en agua) | ||
| Aire (78% nitrógeno, 21% oxígeno) | ||
| Bebidas refrescantes | ||
| Alcohol del botiquín 96º | ||
| Bronce (85% Cu, 15% Sn) |
SOLUBILIDAD
La cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de un disolvente es limitada. El azúcar, por ejemplo, es soluble en agua, pero si en un vaso de agua añadimos cada vez más y más azúcar, llegará un momento en el que ésta ya no se disolverá más y se depositará en el fondo. Además, se disuelve más cantidad de azúcar en agua caliente que en agua fría.
Se llama solubilidad de una sustancia a la cantidad máxima de soluto que se puede disolver en un disolvente determinado.
La solubilidad de los sólidos se expresa como:
g de soluto / 100 mL de disolvente o g de soluto /L de disolvente
Podemos clasificar las disoluciones en función de la cantidad de soluto que hay en relación al disolvente. Así tendremos:
- Una disolución diluida es aquella en la que hay poco soluto con relación al disolvente.
- Una disolución concentrada es aquella en la que hay mucho soluto con relación al disolvente.
- Una disolución saturada es aquella que ya no admite más cantidad de soluto. En este caso, si añadimos más soluto, éste se quedará sin disolver.
La solubilidad de los sólidos
En general, la solubilidad de una sustancia sólida en un determinado disolvente aumenta a medida que se eleva la temperatura.
Si representamos los datos de masa de soluto disulelta en una determinada cantidad de disolvente al variar la temperatura se obtienen unas gráficas llamadas Curvas de solubilidad. Estas gráficas son únicas para cada sustancia en un disolvente determinado. En ellas se estudia la variación de la solubilidad en 100 g de disolvente a diferentes temperaturas.
La solubilidad de los gases
Cuando se eleva la temperatura de una disolución de un gas en un líquido, se observa, por lo común, que el gas se desprende. Esto se produce porque la solubilidad de los gases en los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Ejemplo: Una bebida carbónica a temperatura ambiente tiene menos gas disuelto que si está fría, esto se debe a que a mayor temperatura se disuelve menos cantidad de gas y, parte de éste, se escapa.
Si se mide la temperatura frente a la cantidad de gas disuelta en 100 gramos de agua se obtienen las curvas de solubilidad que, en este caso, son curvas decrecientes, lo que indica que, conforme aumenta la temperatura, la solubilidad del gas disminuye.
Actividades solubilidad:
1. Analiza la curva de solubilidad de sales en agua y responde a las siguientes preguntas:
a) ¿Qué sal se disuelve más en agua a 50 ºC?
b) ¿Qué sal se disuelve menos en agua a 50 ºC?
c) ¿Qué sal se disuelve más en agua a 75 ºC?
2. Los peces, como las personas, necesitan oxígeno (O2) para respirar. Analiza la gráfica de solubilidad del oxígeno en agua y explica por qué es tan perjudicial que las fábricas viertan agua caliente a los ríos o embalses.
3. Observa la gráfica de solubilidad del oxígeno en agua y determina cuánto disminuye la cantidad de oxígeno disuelto en cada litro de agua cuando su temperatura pasa de 10 a 30 ºC.
SUSTANCIAS EN LA VIDA COTIDIANA
Estamos rodeados de sustancias puras y de mezclas. A continuación veremos algunos ejemplos:
- Sustancias pura simple: hierro, oro, plata, etc.
- Sustancias pura compuesto: agua (H2O), agua oxigenada (H2O2), sal común (NaCl), etc.
- Mezclas homogéneas: Agua de mar (agua con sales disuelta), agua corriente (agua con sales disuelta), Lejía (formada por la sal hipoclorito de sodio disuelta en agua), refrescos con gas (como la coca-cola, la fanta, etc.), etc.
- Mezclas heterogéneas: pizza, leche (emulsión de partículas grasas en agua), gelatina (coloide formado al mezclar un sólido en agua), etc.
DIVERSIDAD DE LA MATERIA: TEORÍA ATÓMICO-MOLECULAR DE DALTON
¿Hasta dónde podemos dividir una sustancia?
Tomamos un terrón de azúcar y lo partimos por la mitad. Elegimos una de las dos mitades y volvemos a partirla por la mitad. Suponiendo que pudiéramos seguir repitiendo esta operación indefinidamente (dividir en dos mitades, elegir una), ¿crees que llegaría un momento que el trocito que obtuviéramos ya no fuera azúcar?, es decir, ¿existiría una unidad mínima de azúcar?
Actividades:
34. ¿Qué opinas respecto a lo que acabas de leer? ¿existiría una unidad mínima de azúcar?
Demócrito (460 a.C. - 370 a.C.), filósofo griego, fue el primero en pensar que la materia estaba constituidas por partículas indivisibles a las que llamó “átomos” (que significa precisamente indivisible). Entonces no había métodos para poder demostrar su existencia, así que simplemente postuló dicha hipótesis. Tampoco diferenció entre átomos y moléculas. Pensaba que existían átomos de cada tipo de sustancia. Esta teoría era contraria a la imperante en el momento denominada de los cuatro elementos (tierra, aire, agua y fuego) que concebía cada sustancia como una mezcla particular de estos cuatro elementos.
Pero durante muchos siglos los científicos no pudieron demostrar las existencia de los átomos. Hasta que en 1808, Dalton, químico inglés, publicó su libro “Un nuevo sistema de Filosofía Química”. En él expone su teoría sobre la constitución de la materia, que se basa en tres postulados:
1.- Cada elemento químico está formado por partículas diminutas e indivisibles llamadas átomos. Dichos átomos permanecen inalterados en el proceso químico, es decir, son inmutables: no se pueden transformar unos en otros.
2.- Los átomos de un elemento tienen todos igual masa y las mismas propiedades; sin embargo, son distintos de los átomos de cualquier otro elemento.
3.- Los compuestos químicos están formados por uniones de átomos de “distintos” elementos que se llaman moléculas. La proporción numérica entre ellos es simple y constante. (Los elementos también pueden formar moléculas de dos o más átomos “iguales”).
Dalton definió un símbolo para referirse a cada elemento químico y escribía las fórmulas combinando los símbolos de los elementos que los constituían.
Estamos rodeados de sustancias puras y de mezclas. A continuación veremos algunos ejemplos:
- Sustancias pura simple: hierro, oro, plata, etc.
- Sustancias pura compuesto: agua (H2O), agua oxigenada (H2O2), sal común (NaCl), etc.
- Mezclas homogéneas: Agua de mar (agua con sales disuelta), agua corriente (agua con sales disuelta), Lejía (formada por la sal hipoclorito de sodio disuelta en agua), refrescos con gas (como la coca-cola, la fanta, etc.), etc.
- Mezclas heterogéneas: pizza, leche (emulsión de partículas grasas en agua), gelatina (coloide formado al mezclar un sólido en agua), etc.
DIVERSIDAD DE LA MATERIA: TEORÍA ATÓMICO-MOLECULAR DE DALTON
¿Hasta dónde podemos dividir una sustancia?
Tomamos un terrón de azúcar y lo partimos por la mitad. Elegimos una de las dos mitades y volvemos a partirla por la mitad. Suponiendo que pudiéramos seguir repitiendo esta operación indefinidamente (dividir en dos mitades, elegir una), ¿crees que llegaría un momento que el trocito que obtuviéramos ya no fuera azúcar?, es decir, ¿existiría una unidad mínima de azúcar?
Actividad: ¿Qué opinas respecto a lo que acabas de leer? ¿existiría una unidad mínima de azúcar?
Después de ver este vídeo, responde a las siguientes preguntas:
1. ¿Cuál es el orden de magnitud de tamaño del pelo?
2. ¿ Cómo de grandes son las células? ¿Qué es una célula?
3. ¿De qué están hechas las células?
4. ¿De qué están hechos los átomos?
5. ¿Qué son los quarks?
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