INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA QUÍMICA

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IntroduccIón
al estudIo
de la químIca
Los objetivos de la presente unidad son que el alumno:
• ComprendalaimportanciadelaQuímicaenelestudiodesucarreraprofesional
y en el desarrollo de la industria de la transformación de sustancias naturales en
materiales útiles para satisfacer las necesidades de la sociedad.
• Aplique los conceptos básicos sobre materia, sus estados de agregación y las
transformaciones entre las diversas fases de organización de la misma.
• Distinga,porsuspropiedadesfísicasyquímicas,entresustanciapuraymezclay
la forma de separarlas empleando procesos físicos y químicos.
1
Introducción al estudio de la química
¿Por qué estudiar química?
El asombro por la observación del mundo que le rodea, le ha permitido al ser humano desarrollar su inteligencia y su creatividad a partir de la curiosidad con la que cuenta, y que es característica 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.
Desarrollaunpensamientosistemáticoqueloconduceacomprendersuuniversoyaestablecer
bases 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 herramienta 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 composición y las propiedades de la materia, así como las transformaciones que experimenta
y la energía asociada con esos cambios.
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Química
Ejercicio
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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,elhombresehapreguntadodequéestáhechotantoélcomo
todo 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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Introducción al estudio de la química
Filósofos como Aristóteles (384-322 a. C.) postularon que las sustancias elementales eran
cuatro: 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
componen al resto del universo. De hecho, ahora sabemos que el ser humano, al igual que
los 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,unabotelladepolietilenoesun
cuerpo.
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.Laclasificación
puede 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 (componentes 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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Química
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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 temperatura 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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Introducción al estudio de la química
Fusión
Líquido
Sólido
Gas
E
o vap
eb or
ull ac
ici ión
o Lic
ón
co ue
nd fa
en cci
sa ón
ció
n
ión
ac
m
bli
su
ión
De
ac
m
bli
Su
Solidificación
Comosepuedeapreciarenlafiguraanteriorseobservandiferenciasenladistanciaentrelas
partículas, 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.
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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.
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T oC
140
Agua líquida y vapor de agua
120
Figura 1.2
Gráica de los
datos obtenidos
durante el
calentamiento de
agua en el nivel
del mar.
Vapor de agua
100
Agua líquida
80
60
40
20
Agua líquida y
agua sólida
o
nt
ie
m
ta
en
al
C
0
–10
Agua sólida (hielo)
t (min)
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,latemperaturapermanececonstante
porque 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,debidoalaaltitud
ylaconsecuentemenorpresiónatmosférica,elaguahiervea92ºC.Estodemuestraquelos
puntos 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.
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Introducción al estudio de la química
Gas
Mezcla
Líquido Solución Sólido Aleación
gaseosa
T fusión
(°C)
T
ebullición
(°C)
Salsa de soya
Plástico
Pintura de zapatos
Merthiolate
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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,unasustanciacuyopunto
deebulliciónes–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 agregación 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 cloruro 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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Química
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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,haocurridoesencialmente
un 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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Introducción al estudio de la química
Métodos de separación
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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.
1
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.
HO.OC
CO.OH
C
OH
HO
Figura 1.3
Isómeros del
ácido láctico.
C
H
H
CH3
CH3
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,sedesprendenvaporesdeuncolor
violeta intenso que se depositan en forma de cristales de alta pureza (yodo sublimado) sobre
unasuperficiefría.Dadoquelacafeínaesunasustanciasublimable,latécnicadescritapuede
ser útil para obtener “café descafeinado”.
25
Química
Mezclas en dos fases
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Decantación
La decantación es un procedimiento útil para separar mezclas heterogéneas formadas por un líquido, como el agua, y un sólido insoluble de grano grueso, por ejemplo la arena; o por dos líquidos 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.
1
Agua
Figura 1.4
La decantación
es un método
de separación
de mezclas.
Grava
Agua
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 líquido de mayor densidad se deja salir abriendo la llave del embudo, dentro de éste queda
el líquido menos denso.
Figura 1.5
Separación de
dos líquidos
inmiscibles.
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.
26
Introducción al estudio de la química
Tubos de
ensaye
Figura 1.6
Esquema de una
centrífuga.
Plato giratorio
Líquido
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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 de
sólido y líquido
Embudo
El papel filtro
atrapa el sólido
Filtrado
(componente líquido
de la mezcla)
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.
27
Figura 1.7
Filtración a través
de papel iltro.
Química
Destilación
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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.
1
Termómetro
Condensador
Matraz de
destilación
Figura 1.8
Método de
destilación simple
para separar una
mezcla líquida
homogénea.
Vapor
Salida
de agua
Mechero
de Bunsen
Entrada
de agua
Líquido
Probeta
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,que
recorre 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.
28
Introducción al estudio de la química
Papel
filtro
Tapadera
Papel
filtro
Nivel absorbido
del disolvente
Vaso
Punto
de tinta
Disolvente
Tintas separadas
Disolvente
a)
b)
c)
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 separación a que nos hemos referido, las sustancias no se transforman; únicamente sufren cambios
físicos.
Ejercicio 3
1. Describecómosepararíasloscomponentesdeunasolucióndeacetonaenagua.Tomaen
cuenta 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.
Material
Clasiicación por naturaleza
Pura
Homog.
Heterog.
Clasiicación por origen
Natural
Sintética
Agua destilada
Agua de mar
Bronce
Vino blanco
Sal de mesa
Mármol
Yeso
Amalgama
Lana
Sangre
Aire
Hielo seco
Refresco de cola
Pólvora
29
Figura 1.9
Esquema que
muestra los pasos
de la cromatografía
en papel.
u
n
i
d
a
d
1
Química
Elementos y compuestos
u
n
i
d
a
d
1
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.Cadaunodeloselementosseidentificaporun
nombre 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.Cuandoelcloroyelsodiointeractúanquímicamentese
forma 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)
sodio
cloro
Sólido
Gas
→2NaCl(s)
(cloruro de sodio
o sal común)
Sólido
Comoenelcasodelasal,todosloscompuestosqueexistenenlanaturalezaestánformados
por 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,en
ninguno 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.
30
Introducción al estudio de la química
Cambios físicos y cambios químicos
u
n
i
d
a
d
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.
1
Figura 1.10
Cambios físicos
en el agua:
a) Solidiicación.
b) Ebullición.
c) Fusión.
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.
Hidrógeno
Oxígeno
Figura 1.11
Dispositivo para
descomponer
agua por
electrólisis.
Electrodos
Pilas
Electrólisis
2H2O
2H2
+ O2
(Las flechas hacia arriba significan
que hay desprendimiento en forma de gas)
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
31
Química
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.
u
n
i
d
a
d
1
Sal de mesa (NaCl)
disuelta en agua
Cloro
gaseoso
Hidrógeno
gaseoso
Figura 1.12
Cambios
químicos. La
electrólisis del
cloruro de sodio
disuelto en agua.
Hidróxido de sodio
disuelto en agua
+
(Cátodo)
–
(Ánodo)
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 1.13
32
Introducción al estudio de la química
Cuandosecalientaunpocodeazúcar,éstaprimerosefunde(cambiofísico),peroluego
cambia 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
azúcar
oxígeno
→11CO2↑+C+11H2O
dióxido de
carbono
agua
carbono
1
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.Defineambostérminoscontuspropias
palabras.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
Sólido
Líquido
Gaseoso
33
Oxígeno
Aceite
u
n
i
d
a
d
Azúcar
Química
u
n
i
d
a
d
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)
1000
800
1
600
400
200
0
t (min)
Representación del calentamiento de una muestra de sodio.
T DE EBULLICIÓN =
T DE FUSIÓN =
Temperatura
Temperatura ºC
Estado físico
100 ºC
–70 ºC
0 ºC
1000 ºC
Estado físico
3. Clasificacadaunadelassiguientescomosustanciapura(P)omezcla(M);sisetratadeuna
mezcla indica si es homogénea (Ho) o heterogénea (He).
Materia
Mayonesa
Vidrio
Sangre
Petróleo
Gas natural
PóM
Ho ó He
Materia
Agua
Gelatina
PVC
Concreto
Maril
PóM
Ho ó He
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.
b) Consisteenhacergiraraaltavelocidadunlíquidopara
que se sedimenten los sólidos en suspensión.
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.
Sublimación
( )
Cromatografía
Decantación
()
()
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 elementos
transuránicos se clasifican como radiactivos; para ello, describe qué es la radiactividad.
34
Introducción al estudio de la química
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.
u
n
i
d
a
d
1
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.
35
Química
Respuestas de los ejercicios
u
n
i
d
a
d
1
4.
Sublimación (d)
Cromatografía()
Decantación(a)
Centrifugación(b)
Destilación(c)
Fusión ( )
6. b)
7. c)
36