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2. Separación de los componentes de mezclas homogéneas o disoluciones. 1. Cristalización. 2. Destilación. 8. Disoluciones. 1. Componentes y formación. 2. Solubilidad. 1. Concepto. 2. Tipos de disoluciones. 3. Curvas de solubilidad. 9. Concentración de una disolución. 1. Concepto. 2. Formas de expresar la concentración. 1. Porcentaje en masa. 2. Porcentaje en volumen. 3. Concentración en g/L. |
1. ESQUEMAS
2. PRESENTACIONES
3. CONTENIDOS ANIMADOS
4. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA
Si observamos a nuestro alrededor veremos materia por todas partes, desde el papel del libro que leemos hasta el agua que bebemos, pasando por el aire que respiramos. Todo lo que existe en la Naturaleza es materia. De una manera general, podemos definir la materia como todo aquello que tiene masa y que ocupa un cierto volumen en el espacio. Durante el desarrollo del tema intentaremos eliminar algunas ideas que podamos tener sobre la materia, como por ejemplo que es continua, que en la materia no existe el vacío, que es estática, etc.
La materia está en continuo cambio; en cualquier cambio que sufre la materia interviene “algo” a lo que se le llama energía. Así, decimos que la energía es una propiedad de la materia relacionada con la capacidad de producir cambios en ella misma o en otros sistemas materiales. Será estudiada con detenimiento más adelante durante este curso y en cursos posteriores.
Se denomina sistema material a un “trozo” o porción de materia que se considera de forma aislada para estudiarse con mayor facilidad. Si dicha porción de materia tiene una forma determinada se llama cuerpo. Además, no toda la materia es igual: a cada una de las distintas clases de materia que existen en la Naturaleza se le denomina sustancia. Por tanto, concluimos que todo lo que es materia estará formado por sustancias o por una mezcla de sustancias. Así, cualquier sistema material puede pertenecer a uno de los dos siguientes grupos:
- Sustancias puras: son aquellas que están formadas por un solo tipo de materia. Se clasifican a su vez en dos grandes grupos:
- Elementos: son aquellas sustancias puras que no pueden descomponerse en sustancias más sencillas por ningún método. Todos los elementos que existen en la Naturaleza aparecen en la tabla periódica, que estudiaremos más adelante. Ejemplos: oro, oxígeno, hierro, etc.
- Compuestos: son aquellas sustancias puras que sí se pueden descomponer en otras más sencillas por algún método. Los compuestos están formados por la unión de 2 o más elementos, y se representan mediante fórmulas químicas. Ejemplos: agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), amoniaco (NH3), etc.
- Sustancias impuras o mezclas: son aquellas que están formadas por 2 o más tipos de materia. Pueden ser de 2 tipos:
- Mezclas homogéneas o disoluciones: son aquellas mezclas que tienen la misma composición y propiedades en todos sus puntos, es decir, no pueden distinguirse sus componentes a simple vista. Ejemplos: agua del mar, atmósfera, cocacola, etc.
- Mezclas heterogéneas: son aquellas mezclas que tienen diferente composición y propiedades en todos sus puntos, es decir, sus componentes pueden distinguirse a simple vista. Ejemplos: agua con arena, macarrones con tomate, etc.
5. CONCEPTO DE MEZCLA. TIPOS.
Sabemos que cualquier sustancia material puede clasificarse en dos grandes grupos: sustancias puras y sustancias impuras o mezclas. A lo largo del tema estudiaremos éstas, que son aquellas que están formadas por 2 o más componentes que pueden mezclarse en cualquier proporción. Las mezclas pueden ser, a su vez, de 2 tipos:
- Mezclas homogéneas o disoluciones: son aquellas que tienen la misma composición y propiedades en todos sus puntos, es decir, aquellas cuyos componentes no pueden distinguirse a simple vista, ni siquiera con un microscopio ordinario. Ello es lo que sucede cuando se disuelve azúcar en agua: una vez disuelto el azúcar, ya no puede diferenciarse del agua.
- Mezclas heterogéneas: son aquellas que tienen diferente composición y propiedades en todos sus puntos, es decir, aquellas cuyos componentes sí pueden distinguirse a simple vista. Es lo que sucede cuando se mezclan, por ejemplo, agua y arena.
DISPERSIONES COLOIDALES
Un caso intermedio entre las mezclas homogéneas y las mezclas heterogéneas son las dispersiones coloidales o coloides.
Las partículas de los coloides, también llamadas micelas tienen un tamaño superior a 10-7cm e inferior a 2 X 10-5 cm.
Con este tamaño, las micelas atraviesan los filtros ordinarios y son invisibles al microscopio, pero se ven en el ultramicroscopio y son retenidas por los poros de los ultrafiltros
La iluminación lateral de una dispersión coloidal produce el efecto Tyndall. El rayo de luz se hace visible al atravesar una dispersión coloidal (efecto en el que se basa el ultramicroscopio), pero no es visible cuando atraviesa una disolución verdadera. Esto se debe a que las partículas coloidales, por su tamaño, difunden la luz, mientras que las disueltas no lo hacen.
En la tabla tienes algunos ejemplos de dispersiones coloidales:
Tipos de coloides
| |||
| Partículas dispersas | Medio dispersante | Nombre | Ejemplos |
| gas | líquido | espuma | espuma de afeitar |
| gas | sólido | espuma sólida | corcho blanco |
| líquido | gas | aerosol líquido | niebla, bruma |
| líquido | líquido | emulsión | leche, mayonesa |
| líquido | sólido | gel | gelatina |
| sólido | gas | aerosol sólido | polvo, humo |
| sólido | líquido | sol | pinturas, látex |
| sólido | sólido | sol sólido | rubí , turquesa |
6. 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.
6.1. SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DE MEZCLAS HETEROGÉNEAS
6.1.1. FILTRACIÓN
La filtración sirve para separar una sustancia sólida no miscible (que no esté disuelta) con una sustancia líquida. Consiste en utilizar un filtro cuyos poros (o agujeros) son más pequeños que el tamaño de las partículas que se quiera separar, de manera que cuando la mezcla se haga pasar a través del filtro éstas quedarán retenidas. Esta técnica se utiliza para separar la nata de la leche, para tamizar la arena en las construcciones, etc.
Sirve para separar, habitualmente, suspensiones de sólidos en líquidos. Consiste en hacer girar la mezcla a una gran velocidad; de esta manera, las partículas más pesadas tienden a “escaparse” de la mezcla, separándose de las restantes. Lógicamente, cuanto mayor sea la masa, con mayor fuerza se separarán las partículas, que quedarán retenidas en el fondo del tubo. Esta técnica se utiliza en los laboratorios de análisis clínicos para separar y estudiar algunas de las sustancias (por ejemplo, los glóbulos rojos) que se encuentran en la sangre.
6.1.3. DECANTACIÓN
Sirve para separar dos o más líquidos inmiscibles entre ellos. El método se basa en las diferentes densidades de los líquidos que forman parte de la mezcla. Por ejemplo, en el caso de una mezcla de agua y aceite (ver figura a la derecha) el agua se sitúa por debajo debido a su mayor densidad; utilizando un embudo de decantación, abrimos la llave que se encuentra en la parte inferior y dejamos caer el agua; si cerramos la llave cuando vaya a caer el aceite, habremos conseguido separar ambos líquidos.
Sirve para separar una sustancia que forme parte de la mezcla y que posea propiedades magnéticas, es decir, se vea atraída por un imán. Estas sustancias suelen ser metales. Acercando un imán a la mezcla, conseguiremos separar aquellas sustancias que se vean atraídas por él. Esta técnica suele utilizarse en las industrias siderúrgicas para separar los metales del mineral del que proceden.
6.1.5. TAMIZADO
Es el método indicado para separar los componentes de una mezcla de sólidos según el tamaño de sus partículas. Utilizando el tamiz apropiado, retendremos en él el sólido cuyas partículas sean más gruesas.
6.2. SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DE MEZCLAS HOMOGÉNEAS O DISOLUCIONES
6.2.1. CRISTALIZACIÓN
Sirve para separar una sustancia (habitualmente sólida) que se encuentra disuelta en un líquido. Para ello, se utiliza un recipiente muy ancho llamado cristalizador (ver figura a la derecha), en el cual se vierte la disolución; entonces, si se deja evaporar lentamente, el agua va pasando a estado gaseoso y las partículas de la sustancia sólida se unen poco a poco formando cristales con formas geométricas definidas (rombos, polígonos, etc.). Un ejemplo de cristalización es la separación de la sal del agua del mar en las salinas. La cristalización se puede acelerar aún más mediante el calentamiento a sequedad, que consiste en calentar la disolución en una cápsula de porcelana (ver figura a la izquierda) que se pone en contacto con una fuente de calor (hornillo, mechero,...). En este caso, los cristales de sólido que se obtienen al evaporarse el líquido son de menor tamaño que los que se obtienen a partir de la cristalización.
6.2.2. DESTILACIÓN
Sirve para separar una mezcla de dos o más líquidos miscibles entre sí. Para ello, se utiliza un dispositivo como el de la izquierda: se introduce la mezcla de líquidos en el matraz y comienza a calentarse. Entonces, el líquido con menor punto de ebullición comenzará a evaporarse antes que los demás; el agua corre por el tubo refrigerante enfriando dicho vapor, transformándolo en estado líquido (condensación). El líquido termina por caer en el recipiente colector, separándose así del resto de la mezcla. Para que la destilación sea eficaz, los líquidos deben tener puntos de ebullición que se diferencien en, al menos, 10 ºC.
7. DISOLUCIONES.
7.1. COMPONENTES Y FORMACIÓN.
Una disolución es una mezcla homogénea formada por dos componentes:
- Soluto: es el componente que aparece, habitualmente, en menor proporción. Suele ser el más importante. En una disolución puede haber varios solutos.
- Disolvente: es el componente que aparece en mayor proporción. Si el agua forma parte de la disolución, siempre será el disolvente (es por eso por lo que se le llama disolvente universal). Suele ser el menos importante.
SOLUTO
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DISOLVENTE
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DISOLUCIÓN
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EJEMPLO
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GAS
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GAS
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GAS
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AIRE
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LÍQUIDO
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NIEBLA
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SÓLIDO
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POLVO EN EL AIRE
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GAS
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LÍQUIDO
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LÍQUIDO
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AMONIACO COMERCIAL
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LÍQUIDO
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ALCOHOL Y AGUA
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SÓLIDO
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SAL Y AGUA
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GAS
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SÓLIDO
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SÓLIDO
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HIDRÓGENO EN PALADIO
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LÍQUIDO
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AMALGAMAS (MERCURIO-METAL)
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SÓLIDO
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ACERO INOXIDABLE
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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.
Hemos dicho al principio del apartado 1 que una disolución o mezcla homogénea tiene la misma composición y propiedades en todos sus puntos, es decir, que sus componentes no pueden distinguirse a simple vista. Podemos explicar esto a partir de la teoría cinético-molecular, aplicándolo al ejemplo de una 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.
El volumen resultante de la mezcla entre el soluto y el disolvente no es aditivo, pues debido al reajuste de espacios entre las distintas partículas del soluto y del disolvente, el volumen final es inferior al de la suma de ellos (aunque en los ejercicios consideraremos que los volúmenes sí son aditivos). Sin embargo, la masa de la disolución resultante sí es aditiva, es decir, es igual a la suma de las masas de soluto y disolvente.
Disolvente
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Soluto
|
Disolución
| |
Gas
|
Gas
|
Aire
|  |
Líquido
|
Niebla
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Sólido
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Humo
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Líquido
|
Gas
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Refrescos con gas (coca-cola)
|  |
Líquido
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Gasolina
| ||
Sólido
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Agua del mar
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Sólido
|
Gas
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Gases absorbidos por carbono activo
|  |
Líquido
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Amalgamas
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Sólido
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Aleaciones (acero = hierro y carbono)
| ||
7.2. SOLUBILIDAD
7.2.1. CONCEPTO
No todas las sustancias se disuelven con la misma facilidad en un disolvente (por ejemplo, agua). A la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una cierta cantidad de disolvente a una cierta temperatura se le llama solubilidad de la sustancia. 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 fá - cil 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 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.
A partir del concepto de solubilidad, podemos clasificar las disoluciones en varios tipos:
- 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).
- 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.
- Saturadas: son aquellas disoluciones que tienen, a una cierta temperatura, la cantidad máxima posible de soluto que pueda estar disuelta.
- 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.
7.2.3. CURVAS DE SOLUBILIDAD
Las curvas de solubilidad son representaciones gráficas que nos permiten estudiar cómo varía la solubilidad de una sustancia en agua, ya sea dicha sustancia sólida, líquida o gaseosa, conforme varía (aumenta o disminuye) su temperatura. En el eje horizontal aparecen las temperaturas en ºC, y en el eje vertical aparece la solubilidad de la sustancia expresada generalmente en g de sustancia/100 g de agua (ó g de sustancia/100 ml de agua).
| Temperatura | 20 ºC | 30 ºC | 40 ºC | 50 ºC | 60 ºC |
| Masa disuelta en 100 g de agua | 30 | 44 | 60 | 80 | 104 |
PRÁCTICA
7.3. CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN.
7.3.1. CONCEPTO
La concentración de una disolución es una magnitud que nos indica la relación entre 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; cuanto 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 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.
7.3.2. FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN
Existen muchas formas de expresar la concentración de una disolución. Este curso veremos sola - mente 3 de ellas: el porcentaje en masa, el porcentaje en volumen y la concentración expresada en g/l.
7.3.2.1. PORCENTAJE EN MASA
El porcentaje en masa de una disolución nos indica la relación entre la masa de soluto y la masa de disolución en que está disuelta. Se calcula de la siguiente manera:
% en masa = masa soluto / masa disolución · 100
Ejemplo: Preparamos una disolución que contiene 2 g de cloruro de sodio (NaCl) y 3 g de cloruro de potasio (KCl) en 100 g de agua destilada. Calcula el tanto por ciento en masa de cada soluto en la disolución obtenida.
Primeramente, se trata de identificar a los solutos y al disolvente. En este caso, el disolvente es el agua, pues es la sustancia que se encuentra en mayor proporción y los solutos serán NaCl y KCl. La masa de soluto será la que hay para cada uno de ellos; la masa de disolución es la suma de todas las masas de sustancias presentes en la mezcla: 2 g + 3 g + 100 g = 105 g. Por tanto:
% en masa de NaCl = (2 g / 105 g) · 100 = 1,9 % de NaCl en la disolución.
% en masa de KCl = (3 g / 105 g) · 100 = 2,8 % de KCl en la disolución.
Esto indica que si tuviésemos 100 g de disolución, 1,9 g serían de cloruro sódico, 2,8 g serían de cloruro potásico y el resto, hasta 100 g, serían de agua.
7.3.2.2. PORCENTAJE EN VOLUMEN
El porcentaje en volumen de una disolución relaciona el volumen de soluto con el volumen de disolución en que éste está disuelto. Se calcula de la siguiente manera:
% en volumen = volumen soluto / volumen disolución · 100
Ejemplo: Preparamos una disolución añadiendo 5 ml de alcohol etílico junto a 245 ml de agua. Calcula el % en volumen de soluto en la disolución.
En este caso, el soluto es el alcohol pues está en menor cantidad y el disolvente es el agua. El volumen de disolución es la suma de volúmenes de los componentes (no tiene porqué ser así siempre): 5 ml + 245 ml = 250 ml. Por tanto:
% en volumen de alcohol = (5 ml / 250 ml) · 100 = 2 % de alcohol en la disolución.
7.3.2.3. CONCENTRACIÓN EN g/L
La concentración expresada en g/l de una disolución (abreviadamente la representaremos con la letra C) se define como la masa de soluto, expresada en gramos, que hay disuelta en el volumen de disolución, expresado en litros, en que está disuelto. Se calcula de la siguiente manera:
C = g soluto / V(L) disolución
Ejemplo: Preparamos una disolución añadiendo 20 g de sal a agua destilada hasta tener un volumen de 500 ml. Calcular la concentración en masa.
En este caso, el soluto es la sal y el disolvente es el agua. El volumen de disolución es 500 ml = 0,5 litros. Por tanto:
Concentración en masa = 20 g / 0,5 l = 40 g/l.
En este caso, el soluto es la sal y el disolvente es el agua. El volumen de disolución es 500 ml = 0,5 litros. Por tanto:
Concentración en masa = 20 g / 0,5 l = 40 g/l.
8. CUESTIONES
Cuestiones (I)
Cuestiones (II)
Ejercicios de cálculo de densidades
Sustancias puras
Clasificación de la materia
Sustancias puras
Mexclas
Métodos de separación
Estados de la materia
Clasificación materia
Distinguir sustancias
Disoluciones
Concentración de disoluciones
Medida de la solubilidad
Variación de la solubilidad
Separación de mezclas
Preparación de disoluciones
Estados de agregación
Cálculos de masa y densidad
Estados de la materia
Disoluciones 2
Mezclas
Disoluciones 3
Test
Materia
13. PRÁCTICAS
Introducción
Visión global
Ejercicio de solubilidad
Cuestiones (I)
Cuestiones (II)
Ejercicios de cálculo de densidades
Sustancias puras
Clasificación de la materia
Sustancias puras
Mexclas
Métodos de separación
Estados de la materia
Clasificación materia
Distinguir sustancias
Disoluciones
Concentración de disoluciones
Medida de la solubilidad
Variación de la solubilidad
Separación de mezclas
Preparación de disoluciones
Estados de agregación
Cálculos de masa y densidad
Estados de la materia
Disoluciones 2
Mezclas
Disoluciones 3
Test
13. PRÁCTICAS
Introducción
Visión global
Ejercicio de solubilidad
14. OTROS CONTENIDOS
Materia: Definición, propiedades no características. Unidades de medidasLa Materia. Propiedades y características
Clasificación de la materia: Mezclas y sustancias puras. Separación de mezclas I
Clasificación de la materia:Mezclas y sustancias puras. Separación de mezclas II
15. VÍDEOS
Vídeo 1
Vídeo 2
Vídeo 3
Vídeo 4
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