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Química - CENS Nº 451 – Anexo Universidad Tecnológica Nacional

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CAPÍTULO1

La Química y los

sistemas materiales


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CAPÍTULO I

Prof. Lic. Teodoro Ferrón

LA QUÍMICA Y LOS SISTEMAS MATERIALES

La Química es una ciencia que se ocupa del estudio de las sustancias en lo que hace a su

composición , su estructura, sus propiedades y sus transformaciones, así como las variaciones

energéticas que acompañan dichas transformaciones .

A su vez Ciencia podemos decir que es un proceso que nos permite alcanzar un

conocimiento racional y armonioso del mundo que nos rodea y del cual formamos parte.

La actividad científica se caracteriza por construir el conocimiento actual basándose en los

conocimientos del pasado y empleando el método científico experimental atribuído a Galileo,

mediante el cual las hipótesis de trabajo se pueden corroborar o cambiar por otras según el

resultado de los experimentos. Es por ello que la Química , junto con las demás ciencias naturales

(Física , Astronomía, Biología, Geología ) se denominan ciencias fácticas , en contraposición de

aquellas que trabajan con conceptos abstractos, (Matemática, Lógica ) ; denominadas ciencias

formales .

Orígenes de la Química:

En el aspecto experimental, en el antiguo Egipto ya se practicaba química sin saberlo,

pues conocían un método para separar el oro de la plata por calentamiento con sal y plomo, en el

siglo XIII antes de Cristo; también fabricaban ungüentos para uso medicinal y cosmético.

Otros ejemplos los tenemos en: la fabricación de jabón, fabricación de objetos de bronce,

las estatuillas de cobre puro fundido halladas en la India, etc.

Desde el punto de vista teórico, las ideas que dominaron hasta la Edad Media, tuvieron su

origen en los filósofos griegos, principalmente Platón y Aristóteles, (384 a 322 a.C ).

Aristóteles consideraba que los cuerpos se pueden descomponer en sus elementos por

subdivisión. Cuando estos elementos se agrupaban en forma diferente, resultaban cuerpos

diferentes.

Los cuatro elementos fundamentales para Aristóteles eran: aire, agua, tierra y fuego.

Por aire se entendía todo lo que estaba al estado gaseoso; agua designaba todo lo que era

líquido, y tierra indicaba todo lo que era sólido.

Basándose en estas ideas desde el siglo IV de nuestra Era se comienza a desarrollar la

Alquimia , primero en Egipto, en Alejandría; de allí pasó a los árabes a fines del siglo VII, y luego

a España, Francia y Alemania, donde se continuó practicando hasta el siglo XVI.

Los alquimistas trataban de despojar a los metales comunes de sus cualidades

características , para llegar a la materia elemental sin propiedades, y, de allí por determinadas

manipulaciones llegar a los metales nobles como el oro. Si bien estos esfuerzos para obtener oro

no tuvieron éxito, progresaron enormemente las técnicas de química experimental tal como

filtración , destilación , evaporación y sublimación . Recién en el siglo XVII Roberto Boyle, inglés,

fijó el alcance de la química como ciencia.

Probablemente habrá visto Ud. en cursos anteriores las bases del método científico. No obstante vamos a recordarlo juntos.


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Imaginemos por un momento que deseamos investigar por qué ocurre un cierto

fenómeno a nuestro alrededor.

El primer paso es observar detenidamente y con detalle el citado fenómeno. Mientras

reflexionamos sobre estos hechos que observamos, se van a generar dudas y preguntas que nos

conducen al planteo de un problema.

Una vez que está definido el problema y con toda la información posible sobre él , se

trata de dar una respuesta tentativa al mismo, lo que equivale a formular una hipótesis.

Esta hipótesis permite deducir algunas consecuencias que se presentarán en los hechos

que se estudian, y esto significa establecer predicciones. Luego habrá que verificar si esas

predicciones son correctas, y para eso hay que diseñar experimentos adecuados.

Estos experimentos brindarán resultados que deberán ser analizados e interpretados.

A partir de aquí se puede elaborar una conclusión de la investigación que se realiza.

Si la conclusión alcanzada no demuestra que la hipótesis formulada es correcta, será

necesario formular nuevas hipótesis y volver a realizar la secuencia como se mencionó.

Si por el contrario la conclusión confirma la hipótesis y se puede aplicar a todos los

fenómenos semejantes, se puede hacer una generalización que permita arribar a una Ley o principio

que será útil para generar teorías.

Este conjunto de etapas que se mencionaron es lo que hacen los investigadores en

forma ordenada para responder a los problemas que ofrece la Naturaleza, y se denomina

MÉTODO CIENTÍFICO.

La Química estudia la materia y la energía

Para comprender esta aseveración conviene comenzar por distinguir los conceptos de

materia y energía, en primer lugar, y luego ver que ocurre cuando ambas cosas interactúan.

Analicemos juntos; se puede decir que estamos rodeados por una gran variedad de

entes u objetos que impresionan nuestros sentidos, a saber:

- organismos o seres vivos

- objetos inanimados ó inertes.

- agentes físicos: luz, sonido, electricidad, etc.

Cuando podemos decir que tienen peso y ocupan un lugar en el espacio se los llama

cuerpos. El componente común a todos los cuerpos es la materia, o sea todo lo ponderable, extenso

e impenetrable. Podemos decir además que el peso es lo que notamos al levantar un cuerpo, debido a

que tenemos que realizar un esfuerzo para sostenerlo, lo cual equivale a pensar que la tierra atrae a

todos los cuerpos con una cierta fuerza, (que nosotros contrarrestamos al levantarlos), y esa fuerza es

proporcional a la masa, vale decir a la cantidad de materia, que posee el cuerpo. Esto es

fácilmente comprobable con una balanza de resorte; a mayor fuerza o peso en el extremo libre mayor

estiramiento, debido a mayor cantidad de materia colgada de dicho extremo libre.

En cuanto a los agentes físicos aun no sabemos decir si tienen peso y ocupan lugar.

Por ejemplo la luz no podemos asirla pero sabemos que transporta energía, pues de algún modo se

puede convertir en electricidad como ocurre en los paneles solares o celdas fotoeléctricas. A su vez

la electricidad tampoco la podemos ver pero sí la detectamos al recibir una descarga accidental en


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nuestro cuerpo, ó al sentir el calor de una estufa eléctrica, ó escuchar una radio, ó ver como funciona

un motor eléctrico, etc

También el sonido que no podemos tocarlo se transforma en electricidad en el teléfono, y

viceversa.

Por lo dicho podemos deducir que estos agentes físicos se transforman unos en

otros permanentemente a nuestro alrededor. Tienen algo en común y se dice que es la energía,

también definida como la capacidad de realizar trabajo, (se realiza un trabajo al levantar un

paquete, ó empujar un objeto, ó una estufa al calentar un ambiente, etc).

Trabajemos juntos en los siguientes casos y su análisis:

A-) Un cable eléctrico transporta electricidad para mover motores. ¿Ud. cree que habrá

transporte de materia en ese cable o sólo transporte de energía ? ¿Cómo puede deducirlo ?

Razonamos entonces que ,si hubiese transporte de materia el cable terminaría

engrosándose en un extremo y desaparecería en el otro, lo cual no ocurre nunca en la práctica. De

modo que no hay transporte de materia. En cuanto a la energía, observamos que los cables

alimentan a un motor el que a su vez puede emplearse para movilizar un ascensor. Esto implica la

realización de un trabajo mecánico ( fuerza por distancia recorrida). Podemos decir entonces que se

transformó energía eléctrica en energía mecánica . Esta energía eléctrica se transportó por el cable

hasta llegar al motor y allí se transformó en trabajo mecánico .

B-) Supongamos tener una soga larga estirada sobre el piso. Tomamos uno de sus extremos

libres y lo sujetamos a una copa de vidrio parada sobre el piso. Por el otro extremo libre tomamos la

soga con la mano y procedemos a impartir un movimiento de “sube y baja” en forma vertical.

Observaremos que en la soga aparece una forma ondulada , que al llegar al extremo donde está la

copa muy probablemente la volteará y se romperá esta .

Se prueba con esto que la soga transmitió energía solamente, que recibió la copa para ser

volteada, y no hubo transporte de materia puesto que la soga no abandonó nunca la mano del

operador para producir el movimiento ondulatorio.

Al llegar aquí ya nos damos cuenta que existe una cierta interacción entre materia y energía.

Sabemos de la experiencia diaria que la materia se presenta ordinariamente en tres

formas físicas ó estados de agregación , distintos ; a saber:

SÓLIDO - LÍQUIDO - GASEOSO

En el estado sólido la materia se presenta rígida, con una forma definida y su volumen varía

poco con los cambios de presión y temperatura, ( son prácticamente incompresibles por acción de la

presión y se dilatan poco por la temperatura ).

En el estado líquido la materia puede fluir, y tomar la forma del recipiente que la contiene,

pero su volumen es definido y no varía prácticamente con la presión; ( se dice que es incompresible).

Variaciones en la temperatura producen variaciones pequeñas en el volumen ( por acción de la

temperatura , se dilatan poco los líquidos, pero en mayor grado que los sólidos ).

El estado gaseoso se caracteriza por la gran libertad de fluidez que posee la materia en dicho

estado lo que permite que se expanda indefinidamente ocupando todo el volumen del recipiente que


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la contiene , y también se puede comprimir con facilidad. Por aumento de la temperatura presentan

gran dilatación todos los gases.

En condiciones habituales las sustancias se presentan en determinado estado físico,

según su naturaleza; por ejemplo: el oxígeno es un gas, el agua es líquida, el hierro es sólido, etc.

Pero de la experiencia diaria se sabe que el hierro se puede fundir y pasar a líquido; el

agua se puede solidificar dando hielo; el oxígeno se puede llegar a licuar , etc.

Estas modificaciones en el estado físico de las sustancias se denominan cambios de

estado, los cuales llevan asociados cambios energéticos para producirse .

Cuando los cambios de estado se producen por absorción de calor , se denominan

progresivos, y los que se producen con desprendimiento de calor se llaman regresivos . Esto se

puede esquematizar así :

____________ Cambios progresivos_________

__________________ Volatilización_________________

Vaporización Fusión____

GAS LIQUIDO ____________ SÓLIDO

Licuefacción Solidificación

_______________________________________________

Sublimación

_________________ Cambios regresivos________

Seguramente ahora ya estará Ud. pensando como está constituída la materia para poder explicar estos tres estados de agregación

Vayamos hacia atrás en el tiempo para ver las ideas previas sobre este tema ; por ejemplo

mencionemos los principios básicos de la filosofía natural de los atomistas griegos, tal el caso de

Demócrito quien hace 24 siglos escribió :

“ Por convención , dulce es dulce; amargo es amargo; caliente es caliente , frío es frío;

calor es calor . Pero en realidad sólo hay átomos y vacío. Es decir los objetos de la sensación se

suponen reales y se acostumbra considerarlos como tales , pero en verdad no lo son . Sólo los

átomos y el vacío son reales ”.

Para Demócrito y los atomistas de su tiempo el átomo era la partícula más pequeña de

materia que uno pudiese imaginar, la cual era indivisible. Por lo tanto pensaban que todos los cuerpos

estaban constituídos por la unión de estos átomos en manera y cantidades diferentes.

Estas ideas quedaron en la filosofía antigua nada más que como una ficción ingeniosa de

la imaginación . Recién a partir de los trabajos de Galileo se puede decir que comienza el método

científico, relacionando teoría con experimentación .

A partir de allí se empieza a considerar a la materia y la fuerza como conceptos

fundamentales, y durante los dos siglos posteriores a Galileo se intentó describir todos los fenómenos

de la naturaleza teniendo en cuenta sólo fuerzas de atracción y repulsión entre dos o más

partículas materiales.


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Este punto de vista mecánico ó concepción mecánica del Universo se mantuvo hasta la

mitad del siglo XIX.

TEORÍA CINÉTICA DE LA MATERIA

El desarrollo de esta teoría es una de las más grandes adquisiciones de la ciencia,

derivada de la concepción mecánica del Universo. El objeto de esta teoría es interpretar

mecánicamente a la materia .

Volviendo a los distintos estados físicos de la materia, supongamos que elaboramos la

siguiente hipótesis :

“La materia está formada por partículas discretas, fundamentales y que no pueden ser

subdivididas sin alterar las propiedades de la misma ”.

Se deduce que, por la definición , estas partículas fundamentales poseen masa

Podemos preguntarnos ahora si existen fuerzas de repulsión ó de atracción entre estas

partículas . La respuesta es afirmativa basándonos en el hecho experimental más simple que es el

peso o la existencia de la fuerza gravitatoria. Desde Newton aceptamos que todo cuerpo es atraído,

y el también atrae a los demás. Esta fuerza gravitatoria se ha comprobado que existe por

experimentación , y se vio que es mayor cuanto mayor sea la masa de los cuerpos que interactúan, y

menor sea la distancia entre ambos.

También se puede suponer que existen fuerzas de atracción electrostáticas debido a la

presencia de cargas eléctricas en las partículas , que superen las fuerzas gravitatorias cuando las

masas de estas partículas son muy pequeñas. Del mismo modo que antes se ha comprobado

experimentalmente la existencia de una ley similar a la de gravitación .

Podemos preguntarnos entonces:

¿ Existen fuerzas de repulsión entre estas partículas materiales ? . Sí . Y diremos que

dicha fuerza de repulsión está ligada a la energía cinética de dichas partículas.

Esta energía cinética permite mantener dichas partículas en movimiento, e impedir que

este se anule debido a las fuerzas de atracción . De la física sabemos que la energía cinética se

expresa:

Ec = ½ m . v2 donde m = masa de la partícula

v = velocidad de dicha partícula

vale decir que la energía cinética es mayor cuanto mayor sea la masa y la velocidad de las partí-

culas.

Ahora pensemos en todos estos conceptos a ver si podemos responder a la siguiente cuestión :

¿Cual sería el comportamiento de dos partículas frente a las fuerzas de atracción y de

repulsión ?

Debemos aclarar que vamos a considerar que estas partículas, cuando choquen ,lo harán

en forma elástica, lo cual significa que la energía cinética permanece constante, antes y después del

choque.

Se puede entonces deducir que hay dos situaciones probables de ocurrir:

I ) Cuando las dos partículas se acercan, las fuerzas de atracción aumentan . Si en el momento

del choque estas fuerzas alcanzan un valor que supera al de la energía cinética, las partículas

quedarán adheridas.


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II ) Si al chocar las partículas la energía cinética supera a las fuerzas de atracción , entonces

dichas partículas continuarán en movimiento.

( Vió ?, Ud. ya está razonando como un científico ) Procedamos a aplicar seguidamente estos razonamientos a los distintos estados de

la materia:

ESTADO GASEOSO; puede decirse que las partículas de un gas poseen tanta energía cinética que

las fuerzas de atracción no alcanzan para unirlas. Entonces las partículas del gas se mueven en todas

direcciones y ocupan todo el volumen disponible.

ESTADO SÓLIDO; aquí las fuerzas de atracción son tan superiores a las de repulsión que la

libertad de movimiento de las partículas es muy restringida y tan pequeña que se ordenan por sí

solas formando estructuras geométricas, (cristales ), tratando de ocupar el menor espacio posible.

( Pese a esto , las partículas mantienen un movimiento vibratorio en su lugar , )

ESTADO LÍQUIDO; en este caso se puede decir que la magnitud de ambas fuerzas, la de repulsión

y la de atracción, son muy similares, de modo que las partículas se pueden mover y desplazar en

todas direcciones, pero siempre manteniendo una distancia relativamente constante unas respecto de

otras. Lo dicho está de acuerdo con la observación experimental de que cualquier líquido

presenta constancia de volumen y se adapta siempre a la forma del recipiente donde se encuentra.

Ahora propongo analizar juntos lo siguiente;

a) Se coloca una gota de tinta china ,sin agitar, en un vaso con unos 200ml de agua, y se procede

a observar que ocurre con la gota, sin agitación , a medida que pasa el tiempo .

Observaremos que al cabo de un tiempo la gota desaparece y el agua va tomando una

coloración negra mas intensa en el fondo contiguo a la gota, y mas tenue a medida que

subimos hacia la superficie del vaso. Si dejamos transcurrir el tiempo , luego de 24 horas proba-

blemente veremos que el agua de todo el vaso ha tomado una coloración homogénea , esto es

que se aprecia la misma intensidad del tinte en cualquier parte del vaso donde se mire.

Este hecho se puede explicar suponiendo que las sustancias que componen la tinta china

están formadas por partículas pequeñísimas , denominadas átomos , los cuales a su vez se sabe

que suelen agruparse siempre formando moléculas, las que estan en movimiento incesante ,

( poseen energía cinética ), y al chocar unas con otras estas partículas logran entremezclarse ,

separándose unas de otras y ocupando todo el volumen disponible.

b) Otro hecho experimental cotidiano consiste en colocar una cucharada de azúcar dentro de un

vaso con agua evitando la agitación y cualquier tipo de vibración sobre el vaso. En el primer

momento si se prueba el agua de la parte superior del vaso se nota la ausencia de dulzor. En

cambio si lo dejamos en reposo por 24 horas encontraremos que el dulzor es similar en

cualquier parte del vaso que probemos. Esto significa claramente que las moléculas de azúcar

interactuaron con las moléculas de agua hasta dispersarse dando una solución homogénea .

Al llegar hasta aquí ya tenemos algunas conclusiones interesantes

- Todo el Universo está formado por materia y energía.

- La materia es todo aquello que posee masa, y la masa es todo lo que

ocupa un lugar en el espacio y además es perceptible por nuestros

sentidos.


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- Una porción limitada de materia constituye un cuerpo. Por ejemplo,

un planeta, un alfiler , un gato , un vidrio; son todos cuerpos .

- La materia en un estado de subdivisión muy pequeño, parece estar en

continuo movimiento .

Ahora podemos mencionar que los cuerpos pueden estar constituidos por diferentes

materiales . Por ejemplo: un anillo de oro y un anillo de plata son cuerpos similares pero formados

por distintos materiales.

En cambio , una pulsera y una cadenita de oro son cuerpos diferentes pero estan hechos

del mismo material .

Desde el punto de vista químico, los materiales pueden ser mezclas o sustancias puras.

Una sustancia pura es una forma de materia cuya composición resulta definida y

constante, con propiedades físicas y químicas características para determinadas condiciones de

presión y temperatura ; (por ejemplo el agua hierve a 100°C y se solidifica a 0°C , y tiene una

densidad de 1 g/ml a 4°C y 1 atmósfera de presión .

Por otro lado una mezcla es la reunión de dos o más sustancias que permanecen en

contacto sin que ocurra entre ellas reacción química, esto es que cada sustancia conserva sus

características, y las propiedades de la mezcla son variables dependiendo de la proporción en que se

encuentra presente cada sustancia .

Una reacción química es un proceso durante el cual una o varias sustancias se transforman en otras diferentes .

Los distintos materiales se diferencian unos de otros gracias a ciertas cualidades que

afectan sensiblemente nuestros sentidos .Dichas cualidades se denominan ; propiedades físicas.

Estas propiedades pueden observarse y medirse sin que se modifique la composición de

la materia que se estudia.

Las propiedades físicas se pueden clasificar así:

Propiedades extensivas; son aquellas que dependen de la cantidad de materia analizada.

Este es el caso de la masa, ya que si la cantidad de materia analizada

varía el peso detectado , por ejemplo al medir la masa de un terrón de azúcar vemos que esta es

menor a la masa de una bolsa de azúcar. También ocurre lo mismo con el volumen de los cuerpos

a una presión y temperatura determinada ; a mayor masa mayor volumen del cuerpo.

Otro ejemplo es la cantidad de calor acumulada por un cuerpo. Esta cantidad aumenta

con la masa.

Propiedades intensivas ; son aquellas que no varían con la cantidad de materia

analizada, este es el caso , por ejemplo, del punto de fusión o de ebullición de las sustancias , los

cuales no varían aunque se mida con muestras de masa diferente.

Otras propiedades intensivas son , por ejemplo: dureza de los sólidos, que es la resistencia

a ser rayado o cortado; densidad que es la relación masa/ volumen a presión y temperatura

determinadas; elasticidad, que es la capacidad de los materiales de deformarse, cuando se aplica

una fuerza sobre ellos, y de recuperar su forma original al suprimir la fuerza aplicada ; índice de

refracción , que es el cociente entre la velocidad de propagación de la luz en esa sustancia y la

velocidad de la luz en el vacío , etc .


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Por otra parte también existen las propiedades químicas, que son las que determinan los

cambios o transformaciones que puede experimentar la materia en su composición . Estos cambios

o transformaciones son los que proceden a través de reacciones químicas . Se hablará de ellas mas

adelante .

Vamos a suponer ahora que nos decidimos a estudiar una porción de materia .

Para el químico, esta porción se denomina sistema material.

Una definición de sistema material puede ser:

Porción de Universo que se delimita e independiza del resto , en forma real o virtual , para ser estudiada

Ejemplos de sistema material :

- Una bebida gaseosa en un vaso, ( se puede considerar el vaso también o solo la

bebida contenida en el .)

- Un trozo de una roca.

- Una porción de alimento .

- Un pedazo de chapa metálica.

- Un cargamento de azufre, etc.

Todos estos casos para un químico que desea estudiarlos, se refieren como sistemas

materiales diferentes .

Los sistemas materiales pueden intercambiar materia y energía con el medio ambiente que

los rodea . De acuerdo con esto podemos decir :

Un sistema material es abierto si intercambia materia y también energía con el medio

ambiente; por ejemplo , un recipiente con agua hirviendo, tal el caso de una olla sobre la cocina

encendida . En este caso hay intercambio de materia, el agua se evapora y aumenta la humedad de

la habitación .También hay intercambio de energía ya que se modifica la temperatura del

ambiente.

Un sistema material es cerrado cuando no intercambia materia , pero sí intercambia energía;

tal es el caso por ejemplo de una lámpara de filamento cuando está encendida .

Un sistema material se dice que es aislado, cuando no intercambia ni materia ni energía con

el medio circundante. Un ejemplo es el termo .

Al analizar las propiedades intensivas de un sistema material, puede decirse que si estas

propiedades son las mismas en cualquier punto del sistema, entonces se dice que dicho sistema es

homogéneo. Este es el caso de un vaso de agua potable , límpida. Otro ejemplo es una botella de

buen vino transparente . También es un ejemplo un terrón de azúcar.

Por el contrario, si las propiedades intensivas del sistema no son constantes en todos los puntos

del mismo, se dice que es un sistema heterogéneo. En este tipo de sistemas se pueden distinguir

las fases o porciones en las cuales los valores de las propiedades intensivas son invariantes . Por

ejemplo un vaso con agua y cubitos de hielo es un sistema heterogéneo pues tiene dos fases. Una

fase constituída por agua por ejemplo a 0°C, y otra fase constituida por el hielo a 0°C.

El agua tiene una densidad mayor a 0°C ,que el hielo a esa temperatura, por eso flota sobre el

agua .Basta con hallar una propiedad intensiva que es diferente para ambas fases , para considerar

heterogéneo al sistema ,( en este caso la densidad ). Los límites de separación entre las fases , se


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denominan interfases, son virtuales, y corresponden a las superficies definidas por el contorno de las

fases .

A su vez un sistema material puede contener una o varias sustancias, que se denominan

componentes. Cuando tiene un solo componente , el sistema se trata de una sustancia, y si tiene

varios componentes se trata de una mezcla.

Para el químico es importante poder separar las fases por medio de algún método,

para poder estudiarlas y analizarlas con seguridad.

En el caso de sistemas heterogéneos las fases se separan empleando métodos

separativos mecánicos. Estos son:

Centrifugación : se emplea para separar un líquido de un sólido , la fuerza

centrífuga hace que el sólido de mayor densidad se deposite rápidamente en el fondo del recipiente,

(tal como un lavarropas separa el líquido de las ropas por centrifugado ).

Filtración: se usa para separar un líquido de un sólido, cuyo tamaño de partículas,

quede retenido por la malla filtrante. Un ejemplo cotidiano es la preparación de un café de filtro .

Decantación : en este caso el método consiste en dejar en reposo una mezcla que se

presenta turbia, por ejemplo formada por dos líquidos no miscibles entre sí, tal el caso del agua y el

aceite. El aceite quedará flotando finalmente separado sobre el agua , y luego se extrae por abajo el

agua , y por succión desde arriba el aceite.

También se puede usar para separar un sólido muy fino que está disperso en un

líquido.

Flotación: es un método que permite separar dos sólidos de distinta densidad mediante

el agregado de un líquido de densidad intermedia. Por ejemplo , si un sistema está formado por

aserrín de madera y limaduras metálicas, agregando agua al sistema se consigue que el aserrín

quede flotando, y las limaduras depositadas en el fondo del recipiente.

Tamización : se emplea cuando ambas fases del sistema en estudio son sólidas y

tienen tamaños de partícula muy diferentes. El tamiz es una malla metálica que permite por vibración

dejar pasar las partículas mas finas y retener sobre el las mas gruesas.

Imantación :muy usado para separar dos sólidos, uno de los cuales tiene propiedades

magnéticas. Por ejemplo arena mezclada con limaduras de hierro, al pasar un imán el hierro es

adherido sobre el imán dejando liberada la arena

Sublimación: consiste en separar una mezcla de dos sólidos, donde uno de ellos

sublima y el otro no. Por ejemplo el caso común del iodo cuando esta mezclado con una sal como la

de cocina ,( cloruro de sodio ). Lo que se hace primero es calentar la mezcla suavemente para

volatilizar el iodo y luego sobre las partes mas frías del recipiente subliman los cristales de iodo (

sólido ).

Estos son los métodos mas comunes .

En lo que hace a sistemas homogéneos, cuando estan formados por dos o mas

sustancias , perfectamente solubles y presentando una sola fase, ( por ejemplo alcohol y agua ), los

métodos de separación se denominan métodos de fraccionamiento, y los componentes de ese

sistema se pueden intentar separar por: destilación cuando los puntos de ebullición de los

componentes son diferentes , por ejemplo la separación de las distintas fracciones del petróleo ,(

naftas, querosene , gas oil ,etc. ) La destilación se denomina simple cuando hay solo dos

componentes a separar, y fraccionada cuando hay varios componentes, tal el caso del petróleo .

Otro método de fraccionamiento para un sistema homogéneo formado por dos

componentes, donde uno de ellos es un sólido cristalizable, consiste en separar el componente volátil

por ebullición destilándolo , y luego casi al final dejando evaporar y enfriando para que se formen


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los cristales de la sustancia cristalina , por ejemplo una solución de agua y sal , se puede destilar y

recoger la mayor parte del agua y luego hacia el final se deja evaporar y se cristaliza la sal que se

separa por filtración , de un pequeño residuo líquido que contendrá impurezas, el cual se descarta.

Este método se denomina cristalización , y si en el sistema homogéneo original hay mas de una

sustancia cristalina , con diferente solubilidad , se denomina cristalización fraccionada .

Para ir concluyendo, vamos a aclarar y definir el alcance y aplicación de dos

conceptos importantes:

Compuestos y Sustancias simples

Como vimos antes al aplicar ciertos métodos de separación se llegan a obtener las

sustancias que componen inicialmente a un sistema . Ahora surge un interrogante: ¿ será posible

separar cada una de estas sustancias en otras mas simples ?

En forma mas general nos preguntamos ¿ será posible hallar un cierto numero de

sustancias simples a partir de las cuales se puedan obtener el resto de todas las sustancias conocidas?

Para responder a estas preguntas se necesitó el aporte de cientos de investigadores y varios siglos de

trabajo paciente .

Ahora podemos presentar a Ud. las conclusiones :

Básicamente podemos distinguir dos tipos de sustancias:

a) Aquellas que pueden ser descompuestas en otras , se denominan

compuestos o sustancias compuestas.

b) Aquellas que no pueden ser descompuestas se denominan

sustancias simples o sustancias elementales.

De otro modo se puede decir que : un compuesto es una sustancia que puede sintetizarse

a partir de otras; las sustancias simples, en cambio, no pueden sintetizarse a partir de otras

sustancias.

Por ejemplo , Compuestos son sustancias como el agua, óxido de calcio, cloruro de

potasio, almidón , sacarosa ( azúcar), gas metano, etc.

Sustancias simples son por ejemplo : el oxígeno, el oro, el azufre, el

nitrógeno, etc.

Algunas sustancias simples pueden originar otras sustancias simples diferentes de ellas

por ejemplo el oxígeno y el ozono son dos sustancias diferentes, pero ambas están formadas por el

elemento oxígeno.

Otro ejemplo es el diamante y el grafito , dos sustancias con propiedades diferentes pero

ambas están formadas por el elemento carbono.

En estos casos se dice que el oxígeno y el ozono son alótropos o variedades

alotrópicas.

También el grafito y el diamante son alótropos o variedades alotrópicas del carbono.

Lo visto hasta aquí nos conduce a la definición del concepto de elemento químico :

Se denomina elemento químico al constituyente común de una sustancia simple, y de

sus variedades alotrópicas que por descomposición puede originar dicha sustancia simple.


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Existen mas de 100 elementos conocidos ,que se agrupan en la llamada Tabla Periódica

de los elementos .Mas adelante volveremos sobre el tema .

Ahora que Ud. se ha familiarizado con varios conceptos vamos a resumir y ampliar algunos

de ellos.

Cuando se tiene una o varias sustancias disueltas en otras y no observamos ninguna

separación de fases, se dice que se ha obtenido una solución , y de acuerdo con lo dicho antes sería

un sistema homogéneo, (con una sola fase), y para separarlo en sus componentes se puede aplicar

un método de fraccionamiento, de modo de poder obtener así distintas fracciones, donde cada una

corresponda a una sustancia diferente.

Surge entonces una definición:

SOLUCIÓN es todo sistema homogéneo fraccionable

Si en cambio tratamos de fraccionar una sustancia pura no hay posibilidad de lograrlo, ya

que todas las fracciones que se obtengan presentaran las mismas propiedades intensivas .

Por lo tanto :

SUSTANCIA PURA es todo sistema homogéneo no fraccionable

Imaginemos un recipiente que contiene una sustancia pura ; observamos en el ,que todas

las moléculas de dicha sustancia tienen la misma composición , ( por molécula se entiende a la

menor porción de sustancia que pueda imaginarse , la cual está formada por átomos, y que

puede hallarse libre en la naturaleza ) . Por ejemplo , la sustancia agua está compuesta por dos

átomos de hidrógeno y uno de oxígeno para cada molécula, y se dice que es pura cuando todas las

molécula presentes tienen la misma composición . Por el contrario si además de moléculas de agua

hubiese presentes moléculas de azúcar compuestas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, el

agua ya no estaría pura y se podría denominar solución azucarada.

Se puede deducir entonces que :

Una sustancia es pura cuando todas las moléculas que la forman son iguales.

Redondeando los conceptos se puede decir que cuando tenemos varias sustancias unidas

entre sí obtenemos una mezcla, y esta podrá ser homogénea si presenta una sola fase o

heterogénea si presenta varias fases.

Al químico se le plantea ahora la inquietud de preguntarse ¿como se puede comprobar si

una sustancia es pura o no?

Experimentalmente se comprueba que midiendo las distintas propiedades intensivas por

ejemplo temperatura de ebullición , ( temperatura a la cual hierve ); temperatura de fusión ,

(temperatura a la cual funde ); la densidad ( masa / volumen ) ;etc. para distintas sustancias puras,

estas propiedades tienen valores constantes para cada una .

En cambio cuando estan impuras , los valores de dichas propiedades intensivas sufren

variación ; (por ejemplo comparar agua pura con agua para radiador de auto).

De modo que determinando por experimentación estas propiedades intensivas, que

también se llaman constantes físicas, se puede verificar si una sustancia es pura o no .


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Los Elementos químicos; símbolos y sus características

Recordemos nuevamente que tanto las sustancias compuestas como las simples estan

formadas por unidades químicas fundamentales que se llaman elementos químicos , por ejemplo

el agua está formada por los elementos hidrógeno y oxígeno, la sal de cocina formada por los

elementos cloro y sodio, la sustancia aluminio por el elemento aluminio, etc.

Actualmente hay mas de 110 elementos conocidos , de los cuales 92 son los que aparecen en

la naturaleza y el resto son artificiales ,( obtenidos en laboratorio de investigación nuclea Los

nombres con que se designan los elementos históricamente se deben a distintas razones :

1) El nombre del país originario o donde se descubrió el elemento, por ejemplo el

magnesio por Magnesia ( región en Asia Menor); el galio por las Galias – Francia ;

germanio por Germania- Alemania; etc. Dedicación a algún astro , por ejemplo el teluro

por la Tierra; el helio por el Sol ; el uranio por Urano, etc.

2)

Homenaje a distintos investigadores célebres; por ejemplo einstenio por Einstein, fermio

por Fermi; curio por Curie, etc

3)

Alguna propiedad característica del elemento, por ejemplo: bario (pesado) ; bromo

(mal olor); fósforo (lleva luz) ; cloro ( verde claro) ; oxígeno (forma óxidos) ; etc.

Los elementos químicos se representan abreviadamente por letras , estos símbolos estan

formados por una inicial en mayúscula y cuando es necesario diferenciarlo de otro con igual

inicial va seguido de una segunda letra en minúscula; por ejemplo Estaño : Sn ( del latín

Stannun) , Potasio : K ( del latín Kalium) ; Níquel : Ni ( del alemán Nikolaus ) ; Cloro : Cl (

del griego Chloros)

Clasificación de los elementos químicos según algunas propiedades :

Se pueden tener tres grandes grupos: metales, no metales y gases inertes

Ejemplos de metales son:

Potasio (K), hierro (Fe), oro (Au), mercurio (Hg) , plata (Ag), etc

Ejemplos de no metales son:

Cloro (Cl) , oxígeno (O), carbono (C), azufre (S), etc.

Los gases inertes son :

Helio (He), neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y radón (Rn)

Propiedades generales de los metales:

buenos conductores del calor y la electricidad

son sólidos a temperatura ambiente (20ºC).

tienen brillo característico.

sus moléculas son monoatómicas.

son dúctiles y maleables.

reaccionan fácil con el oxígeno para dar óxidos.

forman iones positivos ( cationes , esto es partículas con carga positiva),

en solución acuosa.


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Propiedades de los no metales:

malos conductores del calor y la electricidad.

algunos son sólidos a 20ºC, el bromo es líquido, y otros son gases.

no tienen brillo.

las moléculas son bi o poliatómicas.

quebradizos cuando sólidos.

forman iones negativos (aniones)

Propiedades de los gases inertes:

malos conductores del calor y la electricidad.

son gases a temperatura ambiente

las moléculas son monoatómicas.

no forman iones.

Finalmente breves nociones sobre……. (sigue en próxima hoja 15)


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Composición de los sistema materiales:

Hasta ahora a partir de los métodos separativos y de fraccionamiento se puede lograr

conocer el aspecto cualitativo de los sistemas materiales , esto es , saber cuales son los

componentes del sistema material en estudio . Pero para poder trabajar en una planta química o en

el laboratorio, se hace necesario conocer la composición cuantitativa del sistema estudiado.

En general se acostumbra a informar la composición centesimal de los sistemas , es decir

referida a 100 g del sistema material en estudio.

Citamos algunos ejemplos:

a) Una mezcla está formada por 100 g de arena ,25g de cobre y 125 g de azufre, se

pide calcular la composición centesimal, esto es la composición porcentual del sistema ya que

resulta practico en la vida diaria tener datos en forma de porcentajes.

el total de la mezcla es : (100+25+125 ) = 250 gramos

en el caso de la arena

250 g equivalen a . . .100%

100 g “ “. . x = 100.100/ 250 = 40 esto es 40% corresponde a la arena

de igual modo para el cobre

250g equivalen a. . . 100%

25 g “ “ . . x = 25. 100/ 250 = 10 esto es 10 % corresponde a el cobre

finalmente para el azufre

250 g equivalen a. . . . 100%

125 g “ “ . . . x = 100.125/250 = 50 esto es 50 % corresponde al azufre

c) Otro ejemplo habitual cuando se trabaja con sólidos disueltos es la expresión %m/v, quiere

decir porcentaje en proporción de masa a volumen , por ejemplo una solución al 20 % m/v

de sal en agua significa que posee 20 g de sal disuelta en 100 ml de solución .

( 1 ml = 1 mililitro = 1cm3

)

d) Si tenemos mezcla de líquidos solubles uno en otro también se puede expresar como % v/v

por ejemplo 20 ml de líquido A, mezclado y disuelto en 30 ml de líquido B dan un volumen

total de 50 ml , esto corresponde al 40 % v/v (volumen / volumen ) de A, y al 60 % v/v de B.

A continuación lo invitamos a realizar las actividades


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GUÍA DE ACTIVIDADES - CAPÍTULO I - LOS SISTEMAS MATERIALES

1) ¿Que estudia la química?

2) La química ¿nace como actividad experimental o como actividad filosófica?

3) Con sus palabras intente definir que es materia y que es energía.

4) Explique que transformaciones puede sufrir la materia.

5) Comente las diferencias que hay entre mezcla y sustancia pura.

6) ¿Que diferencia existe entre propiedades físicas y propiedades químicas de la materia?

7) ¿Cuando podríamos decir que un plato de sopa es un sistema material?

8) ¿Las propiedades intensivas son propiedades químicas?

9) ¿Que diferencia hay entre sistema homogéneo y heterogéneo ?

10) ¿Como puede decidir si un sistema material homogéneo es una solución o una sustancia?

____________OOOOO____________

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CAPÍTULO I - SISTEMAS MATERIALES

1) Indicar cual de las siguientes afirmaciones son correctas y cuales no, justificando su

respuesta:

a) Un sistema con 2 componentes líquidos debe ser homogéneo.

b) Un sistema con 2 componentes gaseosos debe ser homogéneo.

c) Un sistema con un solo componente debe ser homogéneo.

d) Si se calienta una determinada cantidad de un líquido, su volumen aumenta y en

consecuencia aumenta su masa.

e) ¿Cual de los siguientes gráficos representa la densidad de una sustancia a una

temperatura dada, en función de su masa?

d d d d

I)

m II) m III) m IV)

2) Se tienen las siguientes propuestas referidas a un sistema formado por cuatro

cubitos de hielo que estan flotando en una solución acuosa de sal. Indique cuales son

las propuestas correctas y cuales incorrectas justificando su respuesta.

a) Los componentes se pueden separar por filtración y destilación.

b) El sistema tiene 4 fases sólidas y una líquida.

c) El sistema tiene dos interfases.

d) Es un sistema homogéneo.

e) El sistema tiene dos componentes.

3) Indique que métodos usaría para separar cada uno de los componentes de los

siguientes sistemas :

a) arena y sal b) azúcar, agua y carbón c) aserrín, hierro, sal y agua

d) aceite , agua y cobre .

4) ¿Que masa de azúcar debo disolver en 20,5 g de agua para que la solución resultante sea 4 %

m/m de azúcar? Explique el cálculo que realice.

5) Calcule que masa en gramos de cada componente hay en 30 g de una solución al 70 %

m/m de agua ,y 30 % m/m de alcohol.

m

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