Tipos de mezclas y métodos físicos de separación
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Mezclas homogéneas y mezclas heterogéneas
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Homogéneo indica que la materia es
uniforme en todas sus partes.
Heterogéneo indica que la materia no
es homogénea; por lo tanto, no todas sus partes son iguales.
El agua potable es una mezcla
homogénea. Dentro de un vaso, por ejemplo, es igual arriba que abajo.
Un gis parece homogéneo. Sin embargo,
si se le observa al microscopio se verá la existencia de diferentes
materiales; por lo tanto, es heterogéneo.
Una mezcla homogénea es aquella en la
que, al reunir dos o más materiales, éstos conservan sus propiedades
individuales y presentan una apariencia uniforme.
El océano y el aire son ejemplos de
enormes mezclas homogéneas.
Una mezcla heterogénea es aquella en la
que, al reunir dos o más materiales, éstos conservan sus propiedades
individuales y su apariencia diferente.
El granito y la madera son dos
ejemplos de mezclas heterogéneas.
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Disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas
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Las disoluciones son mezclas homogéneas
en las que las partículas disueltas tienen un tamaño muy pequeño. La
sustancia que aparece en mayor cantidad se denomina disolvente. La o las
sustancias que se encuentran en menor proporción se llaman solutos.
Las disoluciones pueden ser sólidas,
líquidas o gaseosas. Los gases mezclados entre sí siempre forman
disoluciones.
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Coloides y suspensiones
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Cuando las partículas de soluto en
una mezcla homogénea tienen tamaños relativamente grandes se tiene un
coloide.
En lugar de hablar de disolvente y
soluto, se emplean los términos “fase dispersora” y “fase dispersa”.
Cuando el tamaño de las partículas en
la mezcla es mayor que el de los coloides, se tienen suspensiones.
En las suspensiones, las partículas
se depositan en el fondo; es decir, se sedimentan.
Las suspensiones heterogéneas se
convierten en homogéneas cuando se les agita.
Una mezcla que normalmente podríamos
llamar una suspensión, se llama emulsión cuando el disolvente rodea una
pequeñísima cantidad de soluto, formando gotitas que permanecen suspendidas
en el disolvente, sin presentar el comportamiento normal de las suspensiones,
es decir, no hay asentamiento en el fondo.
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Métodos de separación de mezclas
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Decantación
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Se separa un sólido o un líquido más
denso de un líquido menos denso y que por lo tanto ocupa la parte superior de
la mezcla.
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Fig. 1 Decantación.
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Filtración
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Se separa un sólido de un líquido
pasando el último a través de un material poroso que detenga al primero.
Una de las características principales
de un sólido es su solubilidad en un líquido deteminado. La sal es soluble en
agua, pero un gis no lo es. En estas situaciones se puede separar una mezcla
empleando la técnica de filtración, que en el laboratorio requiere un embudo
y un papel filtro. Este último permite el paso del líquido con las sustancias
que se encuentran disueltas en él y detiene al sólido no disuelto.
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Fig. 2 Filtración.
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Principios en los que se basan
algunas técnicas de separación
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Técnica
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Principio
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Filtración
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Baja solubilidad del sólido en el
líquido.
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Destilación
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Diferencia de puntos de ebullición
de dos líquidos.
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Cristalización
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Diferencia de solubilidad en
disolventes fríos y calientes o en diferentes disolventes.
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Sublimación
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Diferencia de puntos de sublimación
de dos sólidos.
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Cromatografía
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Diferencia de movilidad de
sustancias que se mueven sobre un soporte.
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Magnetización
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Si uno de los componentes de la
mezcla se puede imantar, el paso de un imán permite separarlo.
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Cromatografía
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Ésta es quizás una de la técnicas de
separación más poderosas con las que cuentan los químicos de la actualidad.
Fue descubierta en 1906, por el ruso Tsweet. Su importancia se manifiesta con
el otorgamiento de dos premios Nobel a investigaciones específicas en esta técnica
y el que se haya concedido al menos una docena de premios Nobel más a
quienes, empleándola, han obtenido resultados notables, por ejemplo, el
descubrimiento de los carotenoides y las vitaminas A y B y, recientemente, la
elucidación de las complejas estructuras de los anticuerpos.
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Cristalización
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La cristalización también se basa en
la solubilidad, específicamente en el cambio de ésta con la temperatura. Las
cantidades de sales que se disuelven en agua aumentan con la temperatura.
Cuando una disolución caliente y saturada se enfría, las sales se
cristalizan; pero unas lo hacen más rápido que otras, por lo que pueden
separarse por filtración.
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Fig. 3 Cristalización.
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Sublimación
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Se dice que una sustancia se sublima
cuando pasa del estado sólido al gaseoso sin fundirse. En una mezcla, la
presencia de una sustancia que sublima permite su separación por esta
técnica, empleando el equipo de la Fig. 4. Ejemplos de sustancias que
subliman son los desodorantes, la naftalina y el yodo.
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Fig. 4 Sublimación y deposición.
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Describa qué es y anote un ejemplo de:
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Una disolución
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Un coloide
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Una suspensión
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¿Cuáles son las principales técnicas
de separación de mezclas?
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Solubilidad y concentración
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Solubilidad
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La cantidad de una sustancia que
puede disolverse en cierta cantidad de líquido siempre es limitada. ¿Qué
ocurre cuando se añaden diez cucharadas de azúcar en un vaso con agua? En
algún momento, el azúcar dejará de disolverse y parte de los cristales
permanecerá en el fondo, sin importar por cuánto tiempo o con qué fuerza se
agite la disolución.
La capacidad de una sustancia para
disolverse en otra se llama solubilidad. La solubilidad de un soluto es la
cantidad de éste, en gramos, que puede disolverse en 100 gramos de agua hasta
formar una disolución saturada. Se considera que una disolución está saturada
cuando no admite más soluto, por lo cual el sobrante se deposita en el fondo
del recipiente.
Cuando se calienta una disolución
saturada, ésta disuelve más soluto que a temperatura ambiente; por lo mismo,
se obtiene una disolución sobresaturada. Esto ocurre porque el aumento de
temperatura hace que el espacio entre las partículas del líquido sea mayor y
disuelva una cantidad más grande de sólido. Ejemplos de disoluciones
sobresaturadas son la miel de abeja y los almíbares.
La solubilidad de las sustancias
varía; de hecho, algunas son muy poco solubles o insolubles. La sal de
cocina, el azúcar y el vinagre son muy solubles en agua, mientras que el
bicarbonato se disuelve con dificultad, como se muestra en la siguiente
tabla:
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Sustancia
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g /100 g de H20
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Bicarbonato de
sodio
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9.6
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Cloruro de sodio
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36.0
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Sulfato de calcio
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0.2
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Azúcar de mesa
(sacarosa)
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204.0
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Efecto de la temperatura y la presión
en la solubilidad de sólidos y gases
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¿Por qué un refresco pierde más
rápido el gas cuando está caliente que cuando está frío? ¿Por qué el
chocolate en polvo se disuelve más fácilmente en leche caliente? Hechos como
los anteriores se manifiestan en el entorno cotidiano. Son varios los
factores que intervienen en el proceso de disolución, entre éstos se
encuentran la temperatura y la presión.
Por lo general, la solubilidad varía
con la temperatura. En la mayoría de las sustancias, un incremento de la
temperatura causa un aumento de la solubilidad. Es por ello que el azúcar se
disuelve mejor en el café caliente y la leche debe estar en ebullición para
preparar chocolate. De acuerdo con lo anterior, cuando se prepara agua de
limón es mejor disolver primero el azúcar y luego agregar los hielos; de lo
contrario, el azúcar no se disolverá totalmente y la bebida no tendrá la
dulzura deseada.
Los cambios de presión no modifican
la solubilidad de un sólido en un líquido. Si un sólido es insoluble en agua,
no se disolverá aunque se aumente bruscamente la presión ejercida sobre él.
En relación con la temperatura, los
gases disueltos en líquidos se comportan de forma inversa a como lo hacen los
sólidos. La solubilidad de un gas en agua decrece a medida que aumenta la
temperatura; esto significa que la solubilidad y la temperatura son
inversamente proporcionales; por ejemplo, a 20 °C se disolverá en agua el
doble de oxígeno que a 40 °C.
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Concentración
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Porcentaje en masa
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Esta primera forma de expresar la
concentración es el cociente de la masa del soluto entre la masa total de la
disolución, multiplicado por cien:
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Ejemplo 1: Si se disuelven 50 g de
sal común en un cuarto de litro (250 g) de agua, ¿cuál es el porcentaje en
masa de la sal?
Primero se calcula la masa de la
disolución: 50 g de sal más 250 g de agua es igual que 300 g de disolución.
Los valores se sustituyen en la fórmula y se realiza la operación.
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El resultado es 16.6%, lo cual
significa que la composición porcentual en masa de la disolución es 16.6% de
sal y 83.4% de agua.
Ejemplo 2: ¿Cuál es el porcentaje en
masa de 5 g de azúcar disueltos en 20 g de agua destilada?
Se calcula la masa de la disolución:
5 g de azúcar más 20 g de agua es igual que 25 g de disolución. Se sustituyen
los valores y se efectúa la operación.
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Por tanto, 20% de la masa de la
disolución es azúcar.
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Porcentaje en volumen
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Otra forma de expresar la
concentración es el porcentaje en volumen. Se utiliza cuando el soluto es un
líquido. Para calcular este porcentaje se divide el volumen del soluto entre
el de la disolución y el resultado se multiplica por cien:
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Ejemplo 1: ¿Cuál es el porcentaje en
volumen del ácido acético en una disolución de un limpiador de vidrios que
contiene 40 ml de ácido acético en 650 ml de disolución?
El porcentaje en volumen se calcula
de esta manera:
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El resultado indica que el 6.1% del
volumen de la disolución del limpiador de vidrios es ácido acético.
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Responda las siguientes preguntas:
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¿Qué es la solubilidad de una
sustancia?
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Final del formulario
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En los hospitales, los pacientes
suelen recibir suero, que consiste en una disolución de sal (cloruro de
sodio) en agua con una concentración igual a 0.9% ¿Cómo se prepara un litro
de esta disolución? ¿Cuántos gramos de sal se necesitan?
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Final del formulario
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Productos derivados del oxígeno y la
combustión
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Los óxidos
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El oxígeno tiene una gran capacidad
para combinarse con otros elementos y compuestos y formar nuevas sustancias,
denominadas óxidos.
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Óxidos básicos y óxidos ácidos
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Los óxidos se clasifican en básicos y
ácidos. Cuando el oxígeno reacciona con elementos metálicos, como el sodio
(Na) y el magnesio (Mg) da lugar a óxidos básicos. Por ejemplo:
Óxido de sodio
2Na(s) + O2(g)  2Na2O(s)
Óxido de magnesio
2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s)
Estos óxidos se denominan básicos
porque generan sustancias básicas cuando son disueltos en agua:
Hidróxido de sodio
Na2O(s)+ H2O(l) 2NaOH(ac)
Hidróxido de magnesio
2MgO(s)+ 2H2O(l) 2Mg(0H)2(ac)
Cuando el oxígeno reacciona con
elementos no metálicos, como el carbono (C) forma óxidos ácidos:
C(s) + O2(g) CO2(g)
Estos óxidos generan sustancias
ácidas al disolverse en agua.
CO2(g) +
H20(l) H2CO3(ac)
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Dióxido de carbono y calentamiento
global del planeta
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El dióxido de carbono
CO2 producido en una combustión se integra a la atmósfera terrestre.
Junto con el vapor de agua y la energía del Sol, este gas ayuda a mantener la
temperatura promedio del planeta, que es 15 °C. Esto se debe al fenómeno
conocido como efecto invernadero.
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Fig. 1 Efecto invernadero en la
Tierra y en un invernadero. La energía que debería escapar al espacio se
queda en la atmósfera y provoca un incremento de temperatura.
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El efecto invernadero
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Una parte de la radiación solar que
llega a la superficie terrestre se refleja al espacio en forma de rayos
infrarrojos. Sin embargo, el dióxido de carbono CO2absorbe este tipo de
radiación, lo cual provoca que sus moléculas gaseosas vibren más rápido y,
por consiguiente, que la temperatura de la atmósfera aumente. De esta forma,
la energía queda atrapada en la Tierra (Fig. 1).
Este fenómeno es conocido como efecto
invernadero porque se produce también en los invernaderos que las personas
construyen con techos y paredes de vidrio o plástico. Estos materiales
permiten la entrada de la radiación solar que, una vez dentro, se absorbe y
conserva, lo que aumenta la temperatura. Los invernaderos posibilitan el
cultivo de plantas tropicales aun en lugares fríos.
La temperatura de la Tierra se
mantiene constante gracias al efecto invernadero; esto ocurrirá mientras la
concentración de dióxido de carbono (CO2) no aumente o disminuya demasiado.
La cantidad de este gas es regulada de manera natural, siempre que no haya
muchas industrias o muchos automóviles.
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El CO2 y el calentamiento global
del planeta
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El dióxido de carbono (CO2) generado
en el proceso de respiración, en los incendios forestales y en los procesos
de descomposición de la materia orgánica se consume durante la fotosíntesis,
proceso que realizan los organismos vegetales para producir sus alimentos. De
esta forma, la concentración de dióxido de carbono (CO2) puede permanecer
prácticamente constante.
Sin embargo, en la actualidad nuestro
planeta se ha visto transformado por la creciente explosión demográfica y las
consecuencias que ésta tiene. El consumo excesivo de los combustibles
empleados en los medios de transporte, en la generación de electricidad y en
distintas industrias, ha producido mucho dióxido de carbono.
Como la combustión de la madera y los
combustibles fósiles generan dióxido de carbono (CO2), la cantidad de gases
producidos en los diversos procesos de combustión, necesarios para mantener
la mayoría de las actividades de la sociedad actual, es muy superior a la
generada por fuentes naturales.
Este fenómeno ha dado lugar a un
aumento considerable en la cantidad de dióxido de carbono presente en la
atmósfera que ya no puede ser reciclado por los vegetales mediante la
fotosíntesis. Si a esto se le suma el hecho de que cada vez hay menos zonas
con organismos vegetales en la superficie del planeta, es fácil darse cuenta
de que los mecanismos de regulación natural ya no son tan eficientes.
El aumento en la concentración de
dióxido de carbono en la atmósfera parece haber producido un incremento en la
temperatura promedio del planeta.
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Lluvia ácida
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La lluvia natural es ligeramente
ácida. Esto se debe a que, en su viaje de las nubes hasta la superficie
terrestre, el agua de lluvia disuelve parte del CO2 de la atmósfera y
forma ácido carbónico (H2CO3), que es un ácido débil.
CO2(g) +
H20(l) H2CO3(ac)
Si la atmósfera está contaminada por
óxidos de azufre y de nitrógeno, se producen los ácidos sulfúrico (H2SO4),
nitroso (HNO2) y nítrico (HNO3).
SO3(g) +
H20(l) H2SO4(ac)
2NO2(g) + H20(l) HNO3(ac) + HNO2(ac)
La lluvia contaminada con estos
ácidos se conoce como lluvia ácida y llega a ser tan ácida como el jugo de
limón. La lluvia ácida provoca oxidación y corrosión de metales, que la fotosíntesis
se realice lentamente, que mueran las plantas y, por supuesto, los peces de
lagos y ríos. En ocasiones, los lagos tienen suelos con gran cantidad de
carbonatos; estos compuestos reaccionan con la lluvia ácida y la neutralizan,
es decir, anulan la acidez del agua. De esta manera, algunos lagos se
protegen naturalmente de los efectos de la lluvia ácida, que no por ello deja
de ser un problema grave de contaminación.
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Describa cómo se forman los
siguientes óxidos y anote un ejemplo.
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Óxidos ácidos
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Óxidos básicos
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Anote dos o tres productos que usted
conozca que se oxidan. ¿Qué tipos de óxidos son?
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ustancias puras
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En la naturaleza, casi toda la
materia se encuentra en forma de mezclas. Unamezcla es la unión física
de varias sustancias puras. Para determinar las propiedades de una sustancia,
los científicos deben tenerla en estado puro. Por ello, deben separar las
sustancias que están en una mezcla, mediante métodos físicos que no alteran
la naturaleza de las sustancias.
Sustancia pura es aquella en la
cual toda sus partes son iguales, es decir, tienen la misma composición y,
por tanto, tienen las mismas propiedades físicas y químicas. Ejemplos de
sustancias puras son el hidrógeno, el oxígeno, el agua, el alcohol, el nitrógeno,
el amoniaco, la sal, el azúcar, el éter, el oro, la plata, el mercurio y el
cobre.
Los elementos son
sustancias formadas por átomos iguales. Debido a ello, un elemento no se
puede descomponer en otras sustancias.
Ejemplos de elementos son: el oro
(Au), el cobre (Cu), la plata (Ag), el oxígeno (O2), el hidrógeno (H2), el
nitrógeno (N2), el azufre (S8), el sodio (Na), el aluminio (Al), el yodo (I),
etcétera.
Los compuestos son
sustancias formadas por elementos diferentes en proporción definida. Los
compuestos se pueden descomponer en sustancias más sencillas por métodos
químicos.
Ejemplos de compuestos son: el agua
(H2O), la sal (NaCl), el azúcar (C12H22O11), el alcohol (CH3CH2OH), la
glucosa (C6H12O6), la sosa (NaOH), el amoníaco (NH3), entre muchos otros.
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En la vida cotidiana usamos el
término agua pura como sinónimo de agua potable. En un texto breve explique
por qué esto es incorrecto para la Química.
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