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1IntroduccIón al estudIo de la químIca
Los objetivos de la presente unidad son que el alumno:
• ComprendalaimportanciadelaQuímicaenelestudiodesucarreraprofesionaly en el desarrollo de la industria de la transformación de sustancias naturales en materiales útiles para satisfacer las necesidades de la sociedad.
• Aplique los conceptosbásicos sobremateria, sus estadosde agregación y lastransformaciones entre las diversas fases de organización de la misma.
• Distinga,porsuspropiedadesfísicasyquímicas,entresustanciapuraymezclayla forma de separarlas empleando procesos físicos y químicos.
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Introducción al estudio de la química
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¿Por qué estudiar química?
El asombro por la observación del mundo que le rodea, le ha permitido al ser humano desarro-llar su inteligencia y su creatividad a partir de la curiosidad con la que cuenta, y que es caracte-rística de su condición humana.
Observa en su entorno seres vivos semejantes a él y algunos que no lo son, objetos inanimados de diferentes clases, paisajes que varían según el lugar donde se encuentre ubicado, sucesos que ocurren de manera natural; descubre tanto propiedades como fases que se suceden de alguno de esos eventos; comienza a reconocer sus propias ideas y reflexiones respecto de lo que observa, de cómo lo observa (percatación) y de cómo puede utilizar lo que observó. Se auxilia de clasificaciones de aquello que perciben sus sentidos y descubre su interés en algunos temas particulares.
Desarrollaunpensamientosistemáticoqueloconduceacomprendersuuniversoyaestablecerbases adecuadas para continuar el estudio de cualquier evento de manera científica. Uno de los temas de su interés es el estudio de la composición de la materia y la energía, y las distintas formas en que éstas se encuentran en la naturaleza; también la transformación de ellas para dar origen a múltiples materiales que transforma para satisfacer sus necesidades. Incluso ha desarrollado sistemas llamados industrias que se encargan de dichas transformaciones.
Si damos un vistazo al mundo que nos rodea podremos observar que ha habido un gran desarrollo en la industria de los alimentos, la construcción, la medicina, la robótica, la industria textil, la electrónica, la tecnología de autos, aviones y naves espaciales, etcétera.
Es entonces cuando se requiere que existan personas especializadas en estos campos de conocimiento. Se les llama profesionales y entre ellos están los ingenieros: civiles, industriales, mecánicos, químicos, electrónicos, mecatrónicos e inclusive los ingenieros en computación. Todos ellos necesitan, para su desempeño laboral, conocer las características físicas y químicas de un gran número de materiales entre los que puedan seleccionar aquellos que respondan a necesidades específicas de su campo. En resumen, el conocimiento de los materiales, sean éstos naturales, artificiales, sintéticos o modificados por el ser humano, es de suma importancia para un estudiante de ingeniería: la química está presente en todas partes.
La estructura de un material depende de su composición y de la disposición de los átomos, iones o moléculas que lo forman, lo que determina la manera en que se unen a través de enlaces químicos al interaccionar con otras sustancias. El estudio de la química es por ello una herra-mienta fundamental para conocer las propiedades de las sustancias, y un punto de partida para diseñar nuevos materiales que satisfagan necesidades específicas.
El objetivo de este libro es que adquieras un conocimiento básico de la química, que te permita comprender las propiedades de los materiales y su utilidad para algunas aplicaciones específicas relacionadas con tu interés profesional.
Concepto de química
En una concepción general podemos delimitar el campo de estudio de la química entre materia, energía y cambio; en términos más específicos: la química es la ciencia que estudia la com-
posición y las propiedades de la materia, así como las transformaciones que experimenta
y la energía asociada con esos cambios.
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Ejercicio 1
1. En el área de ingeniería de tu interés se manejan diversos materiales. Investiga el nombre de cinco materiales sólidos de origen natural y su aplicación en alguna actividad que hayas observado o realizado. Por ejemplo, la madera y su uso para construir libreros.
Material Aplicación___________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ____________________________________________________________
2. En relación con la pregunta anterior, investiga el nombre de cinco materiales sólidos “nuevos”, es decir, fabricados por el ingenio humano, e igualmente, su aplicación en alguna actividad que hayas observado o realizado. Por ejemplo, el caucho sintético y su uso para la fabricación de llantas.
Material Aplicación___________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ____________________________________________________________
3. Muchos términos asociados con la química se utilizan comúnmente en la vida cotidiana, aunque en ocasiones no conocemos su significado preciso. Encuentra su significado en una publicación (libro, revista, diccionario, etc.) y utiliza el término o alguno de sus derivados, en la construcción de una aseveración que escribirás en tu cuaderno. Entre los más comunes están: densidad, solubilidad, oxidación, corrosión, biodegradable, estabilidad, residuo, evaporación, volátil y material.
Conceptos básicos de química
En esta unidad se estudian los estados físicos de la materia, su estructura química y la naturaleza de las partículas que la conforman.
La materia
Composición de la materia
Desdelostiemposmásremotos,elhombresehapreguntadodequéestáhechotantoélcomotodo lo que le rodea. En cuanto a la sustancia de la que está hecho el hombre, a lo largo de los siglos surgieron muchas explicaciones: las religiosas hablaban de materiales que iban desde el barro (tradición judeocristiana) hasta materiales como el maíz (tradición mesoamericana).
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Filósofos como Aristóteles (384-322 a. C.) postularon que las sustancias elementales erancuatro: el agua, el aire, el fuego y la tierra. Los alquimistas trataron con empeño de encontrar al quinto elemento, la “quintaesencia” o piedra filosofal, un “algo” que permitiría transmutar la naturaleza de las sustancias y así, por ejemplo, convertir el plomo en oro.
Pero fue hasta que el hombre aprendió a manejar diversas sustancias químicas cuando surgió la idea de que los humanos podríamos estar formados por las mismas sustancias que componenal restodeluniverso.Dehecho, ahora sabemosqueel serhumano, al igualquelos demás seres vivos y todas las cosas que hay en nuestro planeta, están constituidos por los mismos componentes. Estamos formados de materia diversa que se relaciona entre sí de manera bioquímica y biofísica. Somos, de hecho, un conjunto de sustancias químicas complejas, producto de la evolución del universo de miles de millones de años.
Materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y posee masa.
A una porción definida de materia se le llama cuerpo: un transistor, un anillo, un cuaderno, un torno, un globo, un reactor, el sol, el agua dentro del vaso o el aire contenido en un globo son ejemplos de cuerpos; mientras que hablar de oro, papel, vidrio, polietileno, caucho, hierro, agua y aire, es referirse a tipos de materia.
Deestamaneraalpolietilenoseledefinecomomateria,unabotelladepolietilenoesuncuerpo.
Clasificación de la materia
Toda la materia posee características propias que nos permiten distinguirla de entre otras. Algunas de esas características son directamente observables, como la forma, la textura, el color, la masa o el volumen; otras deben determinarse a través de pruebas o exámenes, por ejemplo: la densidad, la composición elemental, la pureza, etcétera.
Dadalaampliavariedaddesustancias,selesclasificaparafacilitarsuestudio.Laclasificaciónpuede hacerse con base en diferentes criterios, por ejemplo:
a) En función de su estado de agregación: sólido, líquido o gas.b)Considerandosupureza: sustancias puras o mezclas.c) A partir de su composición: como elementos simples o compuestos.
Otras clasificaciones podrían basarse, por ejemplo, en su origen (naturales o sintéticas), su relación con los componentes de los seres vivos o minerales (orgánicas o inorgánicas), su peligrosidad (tóxicas, inflamables, explosivas), su abundancia relativa en la naturaleza (compo-nentes mayoritarios, componentes menores, trazas).
Estados de agregación de la materia
Tradicionalmente se considera que los estados de agregación son tres: estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. No obstante, los físicos y los químicos nucleares reconocen otros estados de agregación, el que se menciona con mayor frecuencia es el plasma, que no es otra cosa que un elemento gaseoso ionizado, generalmente a muy alta temperatura. Ionizado significa que los átomos del elemento han perdido algunos o todos sus electrones, y por lo tanto sus átomos se encuentran en un estado “excitado”. Esto es observable directamente porque el gas
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emite luz. Son ejemplos de plasma el gas ionizado y caliente de las estrellas, incluyendo nuestro Sol, y el fuego, que no es otra cosa que los gases de la combustión calientes e iluminados; asimismo las lámparas de halógeno o “lámparas de neón” contienen un gas que, al paso de la electricidad, se ioniza y se ilumina emitiendo colores muy vistosos y característicos del gas que esté presente.
Otras formas todavía más extrañas en las que se presenta la materia, son las estudiadas por la física estelar y la física cuántica. Así, la materia supercondensada de las estrellas enanas blancas, de los pulsares y de los hoyos negros que existen en el espacio estelar, cuyas condiciones de extraordinaria fuerza gravitacional literalmente “aplastan” a la materia haciendo que se junten los núcleos de los átomos unos con otros, da lugar a una concentración de la materia en volúmenes tan pequeños que nada tienen que ver con lo que conocemos.
La primera característica observable de la materia es sin duda el estado físico en que se encuentra, lo cual afecta su comportamiento. Por ejemplo, un balín, un poco de agua y un poco de humo se comportarán de distinta manera al colocarlos en diversos recipientes. Si se introduce en un vaso o se coloca sobre la mesa, el balín (sólido) conservará su forma; en tanto que, el agua (líquido) fluye y se adaptará a la forma del recipiente: dentro del vaso tomará la forma de éste y sobre la mesa se extenderá al máximo. Finalmente, el humo (gas) también fluye y se difundirá hasta llenar el vaso y luego se escapará, expandiéndose por toda la habitación, y difícilmente entrará en contacto con la mesa.
Los sólidos tienen una forma definida y un volumen f ijo.Los líquidos tienen volumen fijo pero no tienen forma definida.Los gases no tienen forma definida ni volumen fijo.
Puede decirse que el más ordenado de los estados de la materia es el estado sólido, pues todos los cuerpos sólidos conservan su forma, y por lo mismo su volumen, en tanto que el más desordenado es el estado gaseoso, ya que los gases tienden a ocupar todo el espacio disponible y se escapan si no se les mantiene encerrados en un recipiente hermético. En los líquidos, la ordenación es intermedia, pues aunque no tienen forma definida, sí ocupan un volumen fijo. Los sólidos son los que tienen mayor importancia como materiales de ingeniería, aunque los líquidos y los gases también están presentes en muchos procesos industriales.
Los estados físicos de la materia se llaman estados de agregación molecular. El estado físico de la materia no es permanente, depende de las condiciones de presión y
temperatura en que ésta se encuentre. Por ejemplo, el agua se encuentra en estado líquido en los mares, ríos y lagos, pero se congela y convierte en hielo, o nieve, en lugares donde la temperatu-ra es muy baja, como en Alaska, en el Polo Sur o en algunos lugares montañosos. En cambio, en lugares extremadamente calurosos como los desiertos, o al someterla a calentamiento, el agua se convierte en vapor.
Para llevar a cabo los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y de sólido a gas, es necesario aplicar calor, mientras que para realizar los procesos inversos, lo indicado es enfriar (quitar calor). A cada uno de los cambios de estado se les designa por un nombre específico como se muestra en la figura 1.1.
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Fusión
Líquido
Gas
Sólido
SolidificaciónDesublim
ación
Sublimación
Evapo
ración
o eb
ullic
ión
Licu
efac
ción
o co
nden
sación
Comosepuedeapreciarenlafiguraanteriorseobservandiferenciasenladistanciaentrelaspartículas, lo que causa las marcadas diferencias en las propiedades que caracterizan a las sustancias que se encuentran en cada uno de los estados de agregación. Los sólidos poseen el máximo empaquetamiento, por lo que son incompresibles, es decir, no es posible que sus partículas se acerquen más entre sí. Se considera que una sustancia se encuentra en estado sólido únicamente si posee el empaquetamiento regular y repetitivo de un sistema cristalino, si esa condición no se cumple, la sustancia aparentemente sólida no es sino un líquido sobreenfriado, es decir, un vidrio, ya que sus átomos no mantienen una distribución homogénea a corto y a largo alcance.
En un gas, las partículas son independientes entre sí. Se mantienen tan alejadas unas de otras como se los permite el volumen del recipiente que los contiene. Es posible comprimir un gas, aumentando su presión o disminuyendo su temperatura, hasta que sus partículas estén lo suficientemente próximas entre sí para licuarlo o, incluso, solidificarlo.
Entre las partículas de un líquido hay una ligera interacción: las fuerzas de cohesión son moderadas y no muy diferentes en magnitud a las térmicas, por lo que se observa una estructura hasta cierto punto ordenada, pero sin mantener una distribución rígida. Las partículas poseen movimiento de traslación que, sin embargo, las mantiene muy cercanas entre sí y con muy poco espacio libre entre ellas. Ésta es la razón por la que los líquidos son, al igual que los sólidos, virtualmente incompresibles.
Teóricamente, la mayoría de las sustancias pueden existir en cualquiera de los tres estados físicos y aun en estados simultáneos de equilibrio entre dos o más fases. Algunas sustancias requieren condiciones de temperatura y presión extremas para pasar del estado sólido al estado líquido. Esto ocurre en algunos metales (enlace metálico), las sales metálicas (enlace iónico), el diamante (enlace covalente) y minerales como el cuarzo (enlaces mixtos), debido a que en estos materiales no es posible determinar el inicio o el final de una molécula; todos y cada uno de los átomos que los constituyen se encuentran enlazados con el mismo tipo o combinación de enlaces, por lo que se considera que todo el conjunto de átomos conforma una sola molécula.
El estado de agregación es resultado del balance de las fuerzas de cohesión entre los átomos, iones o moléculas, que tienden a ordenar las partículas, y las fuerzas térmicas (temperatura), que tienden a desordenarlas.
En la práctica hemos observado que no todas las sustancias se funden o solidifican a la misma temperatura. Por ejemplo, si calentamos en la estufa un poco de sal, a esa temperatura los cristales no alcanzan a fundirse; en cambio, si tratamos de la misma manera un poco de azúcar, no sólo se funde, sino que se oscurece y termina por quemarse. Si introducimos en el congelador un pequeño volumen de alcohol, el alcohol se mantiene en estado líquido; en tanto que bajo las mismas condiciones, el agua se congela.
La temperatura a la cual se funde cada sustancia es característica y se le llama punto de fusión. Demodosemejante,alatemperaturaalaquehiervecadalíquidoselellamapunto de ebullición.
Figura 1.1 Procesos de cambio para los estados de agregación de la materia.
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Si en un laboratorio a nivel del mar, calentamos poco a poco un recipiente que contenga hielo, observaremos que la temperatura del sólido aumenta, lo que ocasiona que se funda y se conviertaenagualíquida;silatemperaturadelaguasesigueelevandohastallegara100ºC,una vez alcanzada esta temperatura, el agua empieza a hervir y la temperatura se mantiene sin cambio a pesar de que el calentamiento continúe. Si se registran en una tabla de datos los valores de temperatura y tiempo, y se grafican, se obtiene un trazo similar al que se muestra en la figura 1.2. Las secciones horizontales indican que la temperatura permanece constante a pesar de que el calentamiento continúe.
Agua líquida y vapor de agua
Agua líquida
Calent
amien
to
Vapor de agua
Agua sólida (hielo)
t (min)
Agua líquida yagua sólida
140
120
100
80
60
40
20
0
–10
T oC
En la figura 1.2 se observan dos secciones horizontales que indican que la temperatura se mantieneconstante.Laprimera,quecorrespondealos0ºC,ilustraelpuntodefusióndelhielo,periodo durante el cual, el calor suministrado incrementa el movimiento entre las moléculas, las aleja unas de otras y se va destruyendo la disposición geométrica del sólido. La segunda sección corresponde alos100ºC,cuandosealcanzaelpuntodeebullicióndelagua,latemperaturapermanececonstanteporque el calor suministrado se utiliza para el cambio del estado líquido al estado gaseoso, la distancia entre las moléculas aumenta y el volumen se incrementa proporcionalmente al calentamiento. Al convertirse el líquido en vapor, la temperatura aumenta nuevamente.
Aniveldelmarelaguahiervea100ºC,peroenlaCiudaddeMéxico,debidoalaaltitudylaconsecuentemenorpresiónatmosférica,elaguahiervea92ºC.Estodemuestraquelospuntos de ebullición, referidos como constantes de los líquidos, varían con la altitud, es decir, con la presión atmosférica.
Ejercicio 2
1. Menciona los estados de agregación de la materia y dos características macroscópicas observables.
2. Indica por qué los gases y los líquidos se inscriben en una categoría llamada fluidos.3. Identifica en la tabla de la página siguente con una si se trata de gases, mezclas gaseosas,
líquidos,soluciones,sólidosoaleaciones(Referencia:25°C).4. Algunas propiedades, como el punto de fusión y el punto de ebullición, son constantes y
características de cada sustancia, por lo que pueden servir para identificarlas. En la primera sección de la columna distingue con una el tipo sustancia. Investiga en la bibliografía recomendada el punto de fusión y el punto de ebullición (en el caso de existir) de las sustancias incluidas en la tabla y complementa la información donde corresponde.
Figura 1.2 Gráica de los
datos obtenidos durante el
calentamiento de agua en el nivel
del mar.
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GasMezcla
gaseosaLíquido Solución Sólido Aleación
T fusión
(°C)
T
ebullición
(°C)
Salsa de soya
Plástico
Pintura de zapatos
Merthiolate
Mercurio
Madera
Latón
Hierro
Helio
Gas combustible
Dióxido de carbono
Cloro
Bronce
Amalgama
Alcohol
Aire
Aceite
5. Investiga el significado de fusión y su relación con el punto de ebullición. Revisa la bibliografía recomendada.
6. Investiga el significado de fundir y fusionar. Haz notar las diferencias entre el significado de esos términos. Revisa la bibliografía recomendada.
7. ¿Cuálseráelestadofísicoquetendrá,alatemperaturaambiente,unasustanciacuyopuntodeebulliciónes–75ºC?
8. Anota el nombre de los cambios de estado que se indican: Cambiodesólidoalíquido ___________________________________________________Cambiodelíquidoagas ___________________________________________________ Cambiodegasalíquido ___________________________________________________ Cambiodelíquidoasólido ___________________________________________________ Cambiodesólidoagas ___________________________________________________ Cambiodegasasólido ___________________________________________________
Sustancias puras y mezclas
Tomando en cuenta tus experiencias en la vida diaria y lo aprendido sobre los estados de agre-gación de la materia, sabrás que basta observar la forma y el volumen de una sustancia para clasificarla como un líquido, un sólido o un gas; sin embargo, existen otras características de la materia, como la pureza, que en ocasiones son difíciles de percibir.
Existen dos clases de sustancias puras: los compuestos y los elementos. La diferencia entre ellas es la variedad de sus componentes: en tanto los compuestos están formados por dos o más elementos químicos, los elementos están formados solamente por átomos iguales entre sí. Algunos ejemplos de sustancias puras son: oxígeno, plata y aluminio (que son elementos) y clo-ruro de sodio (sal), etanol (alcohol), propanona (acetona), glucosa, benceno, sacarosa (azúcar) (que son compuestos), etcétera.
En una sustancia pura todas las partículas, átomos o moléculas, son iguales.
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Las mezclas son uniones físicas de sustancias diferentes que conservan
sus propiedades particulares.
A nuestro alrededor existen numerosos ejemplos de que en la naturaleza, en una buena proporción, la materia no se encuentra en forma de sustancias puras. Los resultados de un análisis de sangre, o un informe de la contaminación del aire, donde se mencionan las sustancias que los forman, nos indican que, aunque a simple vista no lo parezcan, estas mezclas contienen un gran número de sustancias. En realidad, la mayor parte de la materia se encuentra formando mezclas de dos o más sustancias, en proporciones variables; mezclas que pueden ser sencillas o complejas. El agua de mar, las rocas, la madera, la leche, el aire, las pinturas, los medicamentos, las telas, la gasolina, el cemento, el papel, el jugo de naranja,lasaleaciones,etc.,sonejemplosdemezclas.Cuandosuscomponentesseseparan,se obtienen las sustancias puras que las formaban.
Algunas mezclas, como la sangre, el aire, la leche, la gasolina, la plata 0.500, el vidrio, el acero, un chocolate o el café servido en una taza, etc., se ven iguales en todas sus partes. No se distinguen sus componentes debido a que tienen una composición uniforme, y a simple vista parecen sustancias puras. Estas mezclas forman sistemas homogéneos y también reciben el nombre de soluciones o
disoluciones; aunque el término soluciones se aplica con mayor frecuencia a sistemas líquidos. Los componentes de las soluciones pueden estar en cualquiera de los tres estados de la materia.
A diferencia de las mezclas anteriores, en otras es posible identificar a simple vista la presencia de más de una sustancia, porque no tienen una composición uniforme. Ejemplos son la madera, el cemento, el jugo de naranja, la hoja de un libro, el granito, la arena, etc. A estos sistemas se les llama mezclas heterogéneas.
Entre las sustancias puras podríamos mencionar, por ejemplo, el agua destilada, la sal, el azúcar, el dióxido de carbono (hielo seco), metales como el alambre de cobre electrolítico, el polietileno, el cuarzo, el ácido acetilsalicílico, la acetona, etc. En general, los reactivos de laboratorio son sustancias puras, a diferencia de los materiales con los que estamos en contacto de manera cotidiana, que aunque a simple vista parecen ser un material puro, en realidad son mezclas homogéneas.
Por ejemplo, el oro con el que se elaboran aretes, anillos, cadenas y demás piezas de joyería, es una aleación: oro de 18 quilates. La pureza en esta aleación es de 75 partes de oro por 25 partes de cobre o plata. El combinar el oro de esa manera contribuye a mejorar sus propiedades, ya que el oro puro es relativamente suave y se desgasta con facilidad; en cambio, el oro de 18 quilates conserva la apariencia, el color y el brillo del oro, pero tiene mayor dureza, lo que significa que es más resistente mecánicamente.
Cuandotepreparasunatazadecafé,loqueestáshaciendoesunamezcladeagua,azúcar,crema(que es también una mezcla) y café soluble (que es otra mezcla). Según lo desees, puedes prepararlo cargado o ligero, con mucha o con poca azúcar, con crema o sin ella. Al probarlo, detectas el sabor de los componentes y su proporción relativa, es decir, puedes saber si quedó a tu gusto o no, lo que te permite concluir que cuando las sustancias se mezclan, su naturaleza no cambia, siguen siendo las mismas.Cuandolassustanciasnosetransformanalconformarunamezcla,haocurridoesencialmenteun cambio físico. Los componentes de las mezclas pueden separarse por métodos físicos.
Una mezcla homogénea o solución o disolución, está constituida por:a) Soluto: está presente generalmente en pequeña cantidad en comparación con las
sustancias donde se disuelve.b) Disolvente: sustancia donde se disuelve el soluto.
Las partículas de soluto se entremezclan de manera uniforme con las partículas del disolvente.
Los componentes de una mezcla pueden separarse por procedimientos físicos
sencillos, a diferencia de los elementos de un compuesto, que sólo se separan mediante
técnicas químicas.
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Métodos de separación
La separación de los componentes de una mezcla depende de la naturaleza y propiedades de cada uno de ellos, así como de su proporción relativa. Las técnicas de separación se basan en propiedades características de los diferentes componentes, por ejemplo, el color, la densidad, el punto de ebullición, el punto de fusión, la diferencia de solubilidad y el carácter magnético.
Mezclas en fase sólida
La técnica de separación más sencilla en el caso de mezclas de materiales sólidos es la separación manual, con ella se pueden separar, por ejemplo, virutas de hierro de virutas de madera. Esta técnica de separación permitió aislar los dos isómeros ópticos del ácido láctico, seleccionando cuidadosamente con unas pinzas los cristales de cada uno de ellos, que tienen composición y estructura química idénticas y difieren sólo en la orientación espacial de sus grupos hidroxilo; debido a su gran semejanza química, ambos isómeros solidifican en forma de cristales casi idénticos, excepto en que uno de los planos está inclinado hacia la derecha en uno de los isómeros y a la izquierda en el otro.
C
HO.OC
OH
CH3
H
CHO
CO.OH
CH3
H
Los metales de una aleación, pueden separarse con base en la diferencia de sus puntos de fusión, en tanto uno de los metales aún permanece en estado sólido, el otro ya se fundió y el líquido se puede separar por decantación.
Otra técnica de separación de sólidos se basa en la diferencia de densidad. Por medio de ella se pueden separar fácilmente, por ejemplo, fragmentos de vidrio que estén mezclados con aserrín. Esta técnica de separación ha sido utilizada empíricamente por los gambusinos en su búsqueda de pepitas y arenillas de oro en las aguas de algunos arroyos. Los buscadores de oro recogían en un recipiente poco profundo una porción de los sedimentos que podrían contener oro, y debido a que el oro es más denso que los minerales que le acompañaban, cuando agitaban la mezcla flotaban los materiales ligeros que se regresaban al arroyo, y se separaban las pepitas de oro manualmente del material que quedaba en el fondo de la bandeja.
Otro método de separación es el que se aplica a los residuos sólidos. Se les hace pasar en las proximidades de un magneto que atrae y separa los materiales ferrosos. Estos materiales recuperados pueden ser enviados a fundición para su reutilización.
Hay algunas sustancias sólidas que tienen la propiedad de sublimar, es decir, pasar del estado sólido al gaseoso sin pasar por el estado líquido, esta propiedad se aprovecha para purificarelyodo.Cuandoloscristalesdeyodosecalientan,sedesprendenvaporesdeuncolorvioleta intenso que se depositan en forma de cristales de alta pureza (yodo sublimado) sobre unasuperficiefría.Dadoquelacafeínaesunasustanciasublimable,latécnicadescritapuedeser útil para obtener “café descafeinado”.
Figura 1.3 Isómeros del ácido láctico.
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Mezclas en dos fases
Decantación
La decantación es un procedimiento útil para separar mezclas heterogéneas formadas por un lí-quido, como el agua, y un sólido insoluble de grano grueso, por ejemplo la arena; o por dos líqui-dos inmiscibles (líquidos que no se mezclan) como el agua y el aceite. Estos sistemas se separan en dos fases si se les deja en reposo. La figura 1.4 muestra esta técnica de separación.
Agua
Agua
Grava
En el laboratorio se utiliza con frecuencia un “embudo de separación” para separar dos líquidos inmiscibles, por ejemplo, cloroformo y agua. La fase inferior que contiene al lí-quido de mayor densidad se deja salir abriendo la llave del embudo, dentro de éste queda el líquido menos denso.
La decantación es un procedimiento útil, por ejemplo, para eliminar el petróleo derramado sobre un cuerpo con agua, ya que el material derramado es menos denso que el agua.
Centrifugación
La centrifugación tiene como propósito acelerar una decantación lenta; el proceso consiste en hacer girar la mezcla líquida a alta velocidad lo que provoca que en el fondo del recipiente sedimenten los solidos o el líquido de mayor densidad. El instrumento que se utiliza es la centrífuga cuyo principio se ilustra en la figura 1.6.
Figura 1.4 La decantación
es un método de separación
de mezclas.
Figura 1.5 Separación de
dos líquidos inmiscibles.
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Plato giratorio
Tubos deensaye
Líquido
Sólido
Eje
Filtración
La filtración es una técnica que permite separar mezclas heterogéneas formadas por un líquido y un sólido insoluble que se encuentra suspendido en forma de partículas finas. Para la filtración se utiliza un material poroso, que en el laboratorio es generalmente papel filtro. El papel filtro retiene a las partículas insolubles y deja pasar al líquido, por esta razón, el poro del medio filtrante debe ser más pequeño que el tamaño de las partículas que se quieren separar. La figura 1.7 muestra cómo se realiza en el laboratorio esta técnica de separación.
Varilla de agitación
Mezcla desólido y líquido
El papel filtroatrapa el sólido
Filtrado(componente líquido
de la mezcla)
Embudo
Otros medios filtrantes que se utilizan en el laboratorio para purificar algunas sustancias mediante la eliminación de los materiales insolubles que las contaminan son: el carbón activado, la celita y las membranas de poro tan fino que son capaces de retener bacterias y otros microorganismos.
La filtración es una técnica de uso común en la vida diaria, en la cocina se emplean coladeras (mallas de diferente tamaño de poro) para separar algunas porciones sólidas de los alimentos; se dispone también de filtros comerciales (capas superpuestas de carbón y arena), para eliminar las impurezas sólidas y las bacterias del agua destinada al consumo humano.
Figura 1.6 Esquema de una centrífuga.
Figura 1.7 Filtración a través de papel iltro.
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Destilación
Es una técnica industrial y de laboratorio; se emplea para separar mezclas líquidas con base en la diferencia de los puntos de ebullición de sus componentes. La destilación consiste en calentar la mezcla hasta transformar los líquidos en vapor, empezando por el de menor punto de ebullición. El equipo de destilación está equipado con un sistema de refrigeración llamado condensador o refrigerante, el cual condensa los vapores de las diferentes fracciones líquidas que estaban presentes en la mezcla original. Los líquidos destilados se reciben en recipientes separados. La destilación se muestra en la figura 1.8.
Termómetro
Matraz dedestilación
Mecherode Bunsen
Condensador
Entradade agua
Líquido
Probeta
Salidade agua
Vapor
La destilación es también un método para separar un líquido de un sólido disuelto en él. El líquido destilado se recibe en un recipiente y el sólido queda como un residuo en el matraz de destilación. Por ejemplo, para obtener agua potable se puede destilar el agua de mar, lo que separa la sal y la deja como un residuo.
El alcohol y los licores se obtienen por fermentación de algunos azúcares. Una vez terminada la fermentación es necesario separar la fracción líquida (agua y alcohol) de los residuos de frutas y granos que fueron sometidos a la acción de la levadura. Eso se logra sometiendo a destilación el material fermentado.
La industria petrolera separa en las refinerías las diferentes fracciones del petróleo, usando columnas de destilación fraccionada que permiten colectar por separado cada componente de combustible o aceite mineral.
Cromatografía
La cromatografía es una técnica que permite separar los solutos líquidos presentes en una solución. Para ello, la mezcla de solutos se somete al arrastre por un disolvente, al que se denominaeluyente.Cadasolutoesllevadoporeleluyenteatravésdeunmedioporoso,querecorre a diferente velocidad una distancia que depende de su estructura química. El equipo para la cromatografía puede ser tan sencillo como el que se muestra en la figura 1.9: una tira de papel filtro y un vaso de precipitados. Existen equipos destinados a la separación fina de mezclas complejas,entrelosquesepuedemencionaralosCromatógrafosdeLíquidosdeAltaPresión(HPLC)ylosCromatógrafosdeGases(GC).
La cromatografía permite separar y analizar la composición de productos naturales extraídos de animales o de plantas. Se le utiliza ampliamente en los laboratorios de control de calidad y de desarrollo de nuevas sustancias. En la figura 1.9 se representa el fundamento de la técnica aplicada a la separación de los colorantes de la tinta de un plumón.
Figura 1.8 Método de
destilación simple para separar una
mezcla líquida homogénea.
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Nivel absorbidodel disolvente
Vaso
Disolvente
Tintas separadas
a) b) c)
Disolvente
Tapadera
Papelfiltro
Puntode tinta
Papelfiltro
Los colorantes que forman la tinta de un plumón se pueden separar por cromatografía usando como soporte poroso una tira de papel f iltro y, si la tinta es soluble, el eluyente puede ser agua; si el plumón es de tinta permanente, en lugar de agua, se debe usar alcohol como eluyente.
La técnica consiste en: a) aplicar la punta del plumón sobre el papel filtro dejando una marca, b) dejar secar la tinta e introducir el papel dentro de un vaso que contenga una capa delgada de agua, de modo que se humedezca el papel pero sin que el agua alcance la marca, y c) dejar ascender el agua, lo que hace que la tinta se vaya separando en los distintos colorantes que contiene.
Los procedimientos descritos son sólo algunos de los que se emplean en el laboratorio y en la industria para separar los componentes de una mezcla y para purificar sustancias al eliminar compuestos o contaminantes. Es necesario tener presente que durante los procesos de separa-ción a que nos hemos referido, las sustancias no se transforman; únicamente sufren cambios físicos.
Ejercicio 3
1. Describecómosepararíasloscomponentesdeunasolucióndeacetonaenagua.Tomaencuenta el estado físico de los dos componentes.
2. Investiga el significado de los términos reciclable, reutilizable y degradable.
3. En la siguiente tabla, identifica los materiales. Señala en la primera sección de la tabla si se trata de una sustancia pura, una mezcla homogénea o una mezcla heterogénea. Señala en la segunda sección si se le encuentra en la naturaleza o ha sido inventada y desarrollada por el hombre.
MaterialClasiicación por naturaleza Clasiicación por origenPura Homog. Heterog. Natural Sintética
Agua destiladaAgua de marBronceVino blancoSal de mesaMármolYesoAmalgamaLanaSangreAireHielo secoRefresco de colaPólvora
Figura 1.9 Esquema que muestra los pasos de la cromatografía en papel.
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Elementos y compuestos
Las sustancias puras tienen una apariencia homogénea y pueden ser elementos o compuestos. Las unidades estructurales fundamentales de la materia se llaman elementos, conformados
por átomos iguales entre sí. Existen noventa y dos de ellos presentes en la naturaleza y se haobtenidoporsíntesismásdeunadecena.Cadaunodeloselementosseidentificaporunnombre y se representa por un símbolo formado por 1, 2 o 3 letras.
Los más abundantes en nuestro planeta son el oxígeno (49.1%) y el silicio (25.6%), pero si sólo consideramos el aire, el nitrógeno representa 78.1% y el oxígeno 21%. El número de elementos presente en los seres vivos es muy reducido, básicamente carbono, hidrógeno, oxígeno,nitrógeno,azufreyfósforo(CHONSP).
Los compuestos son sustancias en cuya composición están presentes átomos de dos o más elementos químicos. Los átomos que forman un compuesto están siempre en proporciones de masa definidas. Algunas mezclas homogéneas, entre ellas las soluciones, están formadas por más de un componente y a simple vista tienen la apariencia de una sustancia pura, pero sus componentes no se encuentran en una proporción definida como en los compuestos.
Un compuesto se forma cuando dos o más elementos reaccionan químicamente, lo que da lugar a una nueva sustancia que tiene características diferentes a las de los elementos que le dieron origen. Un ejemplo sencillo de este cambio químico es la formación del cloruro de sodio (sal común).
Elclorurodesodio(NaCl)esunasustanciacompuestaporloselementoscloro(Cl)ysodio(Na). Antes de unirse químicamente, el cloro es un gas muy tóxico de color amarillo verdoso; en tanto que el sodio es un metal plateado de color blanco que reacciona violentamente con el aguaporloqueespeligrosotocarlo.Cuandoelcloroyelsodiointeractúanquímicamenteseforma un sólido cristalino blanco, muy soluble en agua, que confiere un sabor agradable a los alimentos. La sal es un compuesto químico, este compuesto tiene sus propias características, que son muy diferentes a las de cada uno de los elementos originales.
2Na(s)+Cl2(g) →2NaCl(s) sodio cloro (cloruro de sodio o sal común) Sólido Gas Sólido
Comoenelcasodelasal,todosloscompuestosqueexistenenlanaturalezaestánformadospor elementos unidos químicamente. Son ejemplos de compuestos: agua, azúcar, bióxido de carbono y alcohol. El agua se forma con dos elementos gaseosos: hidrógeno y oxígeno; el bióxido de carbono se forma de oxígeno y carbono. El azúcar y el alcohol, dos sustancias distintas entre sí, contienen los mismos elementos: carbono, hidrógeno y oxígeno.
Comopuedesdartecuenta,aunqueeloxígenoformapartedeesoscuatrocompuestos,enninguno conserva las características originales de este elemento, ya que pasa a formar parte de la molécula de otra sustancia. Los compuestos pueden volver a formar, por medio de reacciones químicas, las sustancias que los originaron.
Es fácil diferenciar los elementos de los compuestos aunque en ocasiones se confunden con las mezclas. Un ejemplo es el agua oxigenada, que por su nombre invita a pensar que es una mezcla de agua (H2O) y oxígeno (O2) disuelto, pero se trata de un compuesto llamado peróxido de hidrógeno con formula H2O2. Tengamos presente que el agua que contiene oxígeno disuelto es un medio propicio para la vida de un pez, en tanto que el peróxido de hidrógeno provocaría en pocos minutos la muerte de ese pez.
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Cambios físicos y cambios químicos
A través de tus propias experiencias has sido testigo de que la materia experimenta frecuentes transformaciones. Algunos de esos cambios no afectan su naturaleza, las sustancias continúan siendo las mismas, mientras que en otras hay una transformación importante: una sustancia se transforma en otra. Los cambios que ocurren en las sustancias se clasifican en dos categorías: cambios físicos y cambios químicos. En los cambios físicos no se altera la naturaleza química de la materia; son ejemplos de ello los cambios de estado: la congelación, la ebullición o la fusión del agua (figura 1.10). Otros ejemplos son el gas que se desprende al agitar una botella de refresco, el inflar la llanta de un coche, el preparar una taza de café, el tejer una madeja de estambre o el armar un rompecabezas.
a) b) c)
A diferencia de lo que ocurre en los cambios físicos, cuando hay un cambio químico se afecta la naturaleza íntima de las sustancias y se dice que ha ocurrido una “reacción química”. Uno de los objetivos de la química es el estudio de las transformaciones mediante las cuales se modifican las características de la materia, es decir, las reacciones químicas.
Además de cambiar de estado, el agua puede sufrir cambios químicos y descomponerse, al aplicarle energía eléctrica, en los elementos que forman la molécula.
(Las flechas hacia arriba significanque hay desprendimiento en forma de gas)
Electrodos
Pilas
Oxígeno
Hidrógeno
Electrólisis
2H2O 2H
2 + O
2
La reacción requiere que en el agua esté disuelta alguna sustancia que favorezca el paso de la corriente eléctrica, llamada electrolito, la cual puede ser una sal, una base o un ácido. Al
Figura 1.10 Cambios físicos en el agua: a) Solidiicación. b) Ebullición. c) Fusión.
Figura 1.11 Dispositivo para descomponer agua por electrólisis.
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procedimiento de descomposición de compuestos por el paso de corriente eléctrica se le llama electrólisis, término que significa separar o disgregar usando electricidad.
En la figura 1.12 se ilustra el montaje de un equipo que permite la electrólisis del cloruro de sodio al hacer pasar una corriente eléctrica a través de una solución acuosa de sal. El resultado deesteexperimentoesqueenunadelasburetasseobtieneelgascloro(Cl2) y en la otra el gas hidrógeno (H2), este último resulta de una segunda reacción en la que el sodio metálico (Na) forma hidróxido de sodio (NaOH) e hidrógeno al reaccionar con el agua.
Hidrógenogaseoso
Clorogaseoso
Sal de mesa (NaCl)disuelta en agua
Hidróxido de sodiodisuelto en agua
–+(Ánodo)(Cátodo)
Las reacciones químicas se representan por ecuaciones químicas. A continuación aparecen las reacciones correspondientes a la electrólisis del cloruro de sodio.
2NaCl(ac)→ 2 Na+(ac) +2Cl– (ac)
En el ánodo: 2 Cl – (ac) - 2 e – →Cl2 (g)
En el cátodo: 2 Na+(ac) + 2 e – → 2 Na0 (s)
2Na0(s) + 2 H2O(l) → 2 NaOH (ac) + H2 (g)
Otros ejemplos de transformaciones químicas son: la putrefacción de los alimentos, el burbujeo que se produce al disolver un antiácido efervescente en agua, el blanqueado de la ropa al tratarla con cloro. Una reacción química que observamos con frecuencia es la combustión de la materia orgánica: azúcar, madera, parafina, etcétera (figura 1.13).
Figura 1.12 Cambios
químicos. La electrólisis del
cloruro de sodio disuelto en agua.
Figura 1.13
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Cuandosecalientaunpocodeazúcar,éstaprimerosefunde(cambiofísico),peroluegocambia de color, se desprenden humos que contienen dióxido de carbono y agua hasta que sólo quedan residuos negros de carbón. Ya no se tiene azúcar: el carbón, el humo y el agua no son sólidos ni dulces ni blancos; las sustancias resultantes tienen propiedades totalmente diferentes. A continuación se muestra la ecuación que representa el cambio químico ocurrido.
C12H22O11 + 11O2 →11CO2↑+C+11H2O azúcar oxígeno dióxido de carbono agua carbono
La combustión de la madera da lugar a las mismas sustancias que se desprenden del azúcar:
carbón, agua y bióxido de carbono, lo cual significa que tanto el azúcar como la madera están formados por los mismos elementos. El azúcar es una sustancia pura (un compuesto), en tanto que la madera es una mezcla cuyos componentes, celulosa y lignina, están constituidos básicamente de los mismos elementos que el azúcar, pero en diferente proporción: carbono, hidrógeno y oxígeno.
En los cambios químicos las sustancias se transforman en otras distintas; en los cambios físicos las sustancias siguen siendo las mismas.
Ejercicio 4
1. Investiga el significado de elemento y de compuesto.Defineambostérminoscontuspropiaspalabras.Consultalabibliografíarecomendada.
2. Investiga el significado de ánodo y de cátodo. Las pilas comunes tienen un ánodo y un cátodo, indica cuál es el signo de la carga de cada uno consulta la bibliografía recomendada.
3. Investiga el significado y la carga de las partículas anión y catión. Relaciona el signo de su carga con el del ánodo y el cátodo.
Ejercicios finales
1. Identifica las siguientes sustancias como gas, líquido o sólido, cuando se encuentran a temperatura ambiente:
Estado físico
Sustancia
Mercurio Aspirina Butano Gasolina Oxígeno Aceite Azúcar
Sólido
Líquido
Gaseoso
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2. Indica las temperaturas de ebullición, de fusión y el estado físico de una muestra de sodio que se somete a diferentes temperaturas basando tu análisis en la gráfica siguiente:
T (oC)
t (min)
1000
800
600
400
200
0
Representación del calentamiento de una muestra de sodio.
T DE EBULLICIÓN = T DE FUSIÓN =
Temperatura Estado físico Temperatura ºC Estado físico
100 ºC –70 ºC
0 ºC 1000 ºC
3. Clasificacadaunadelassiguientescomosustanciapura(P)omezcla(M);sisetratadeunamezcla indica si es homogénea (Ho) o heterogénea (He).
Materia P ó M Ho ó He Materia P ó M Ho ó HeMayonesa Agua Vidrio GelatinaSangre PVCPetróleo ConcretoGas natural Maril
4. Relaciona los procesos de la columna del lado izquierdo con las técnicas de separación que aparecen en la columna del lado derecho.
a) Permite separar mezclas heterogéneas de una sustancia líquida y una sustancia sólida; un líquido con un sólido. Sublimación ( )
b) Consisteenhacergiraraaltavelocidadunlíquidoparaque se sedimenten los sólidos en suspensión.
Cromatografía ()Decantación ()
c) Se utiliza para separar mezclas homogéneas de dos o más líquidos con base en la diferencia de sus puntos de ebullición.
d) Es una técnica de separación útil para sustancias que pasan directamente del estado sólido al gaseoso.
Centrifugación ()Destilación ()Fusión ( )
5. El uranio es un elemento radiactivo que se transmuta en plomo después de pasar por varias etapas. Consulta la bibliografía recomendada e investiga por qué todos los elementostransuránicos se clasifican como radiactivos; para ello, describe qué es la radiactividad.
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6. A la técnica de separación empleada en mezclas heterogéneas formadas por un líquido y un sólido insoluble de grano grueso, o por dos líquidos inmiscibles, se le conoce como:
a) Evaporación. b)Decantación. c)Destilación. d)Centrifugación.
7. Lee atentamente el siguiente párrafo e indica el método de separación que debe utilizarse para la correcta obtención de los componentes de la muestra.
La eliminación del sarampión es una meta a conseguir a corto plazo, por lo que la vigilancia epidemiológica ha enfocado sus estrategias en el estudio de todos los casos probables.
Se toma una muestra serológica dentro de los primeros 35 días de iniciado el exantema (erupción de la piel). Se deben obtener de 5 a 7 ml de sangre venosa en un tubo, el suero se separa en un tubo seco y éste deberá ser rotulado con los datos del paciente para su inmediato envío al laboratorio.
a)Decantación.b)Cromatografía.c)Centrifugación.d) Evaporación.
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Respuestas de los ejercicios
4. Sublimación (d) Cromatografía() Decantación(a) Centrifugación(b) Destilación(c) Fusión ( )
6. b)
7. c)
