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Tipos de mezclas y métodos físicos de separación

Mezclas homogéneas y mezclas heterogéneas

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.

Disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas

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.

Coloides y suspensiones

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.

Métodos de separación de mezclas

Decantación

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.

Fig. 1 Decantación.

Filtración

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.

Fig. 2 Filtración.

Principios en los que se basan algunas técnicas de separación Técnica Principio Filtración Baja solubilidad del sólido en el líquido. Destilación Diferencia de puntos de ebullición de dos líquidos. Cristalización Diferencia de solubilidad en disolventes fríos y calientes o en diferentes disolventes. Sublimación Diferencia de puntos de sublimación de dos sólidos. Cromatografía Diferencia de movilidad de sustancias que se mueven sobre un soporte.

Magnetización

Si uno de los componentes de la mezcla se puede imantar, el paso de un imán permite separarlo.

Cromatografía

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.

Cristalización

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.

Fig. 3 Cristalización.

Sublimación

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.

Fig. 4 Sublimación y deposición.

Describa qué es y anote un ejemplo de:

Una disolución

Principio del formulario Se trata de una mezcla homogenea en la cual sus particulas disueltas son pequeñas Ej.: Pintura Final del formulario

Un coloide

Principio del formulario Al contrario de la anterior esta tiene sus particulas relativamente grandes. Ej.: Espuma de afietar Final del formulario

Una suspensión

Principio del formulario Son mezclas heterogeneas. En las suspensiones ocurre otro caso, las particulas se sedimentan y para que esta se vuelva homogenea se tiene que agitar. Ej.: Medicamentos Final del formulario

¿Cuáles son las principales técnicas de separación de mezclas?

Principio del formulario Decantacion, Filtracion, Magnetismo, Cromatografia, Sublimacion y cristalizacion. Final del formulario

Solubilidad y concentración

Solubilidad

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:

Sustancia g /100 g de H20    Bicarbonato de sodio 9.6             Cloruro de sodio 36.0             Sulfato de calcio 0.2             Azúcar de mesa (sacarosa) 204.0

Efecto de la temperatura y la presión en la solubilidad de sólidos y gases

¿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.

Concentración

Porcentaje en masa

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:

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.

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.

Por tanto, 20% de la masa de la disolución es azúcar.

Porcentaje en volumen

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:

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:

El resultado indica que el 6.1% del volumen de la disolución del limpiador de vidrios es ácido acético.

Responda las siguientes preguntas:

¿Qué es la solubilidad de una sustancia?

Principio del formulario Es la capacidad de una sustancia para disolverse en otra Final del formulario

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?

Principio del formulario 9gr Final del formulario

Productos derivados del oxígeno y la combustión

Los óxidos

El oxígeno tiene una gran capacidad para combinarse con otros elementos y compuestos y formar nuevas sustancias, denominadas óxidos.

Óxidos básicos y óxidos ácidos

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)

Dióxido de carbono y calentamiento global del planeta

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.

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.

El efecto invernadero

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.

El CO2 y el calentamiento global del planeta

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.

Lluvia ácida

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.

Describa cómo se forman los siguientes óxidos y anote un ejemplo.

Óxidos ácidos

Principio del formulario Cuando el oxigeno reacciona con un elemento no metalico ej.: Acido nitrico..... N2O5 Final del formulario

Óxidos básicos

Principio del formulario Cuando el oxigeno reacciona con elementos metalicos. Ej.: Oxido ferroso.... FeO Final del formulario

Anote dos o tres productos que usted conozca que se oxidan. ¿Qué tipos de óxidos son?

Principio del formulario Clavos..... Oxido básico Manzana.... Oxido Acido Naranja... Oxido acido Final del formulario

ustancias puras

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.

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.

Principio del formulario Por que el agua esta hecha de varias elementos y de tal manera ya no seria pura. Final del formulario