INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO 2014 CLASES 1 Y 2

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INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO 2014
CLASES 1 Y 2
CAPITULO 1 : NOCIONES BASICAS
La Química es la ciencia que estudia la materia, su estructura, sus
propiedades y transformaciones, y los estados y cambios energéticos
involucrados. (Materia/Energía). Se apoya en la matemática y la física, y
sirve de basamento a la biología, y la fisiología, conformando un conjunto
epistemológico sustentado en los principios del método científico.
Superada la Edad Media, la química, al evolucionar y separarse de la
alquimia, sentó sus bases sobre las matemáticas y la física, adecuándose
paulatinamente al rigor del método científico. Evidentemente, este aserto
evidencia que muchas de las afirmaciones teóricas y fundamentalmente
prácticas, de la química, están basadas en sistemas numéricos. Esos
números, están asociados a unidades que deben ser expresadas de
manera inequívoca, a los efectos de evidenciar con rigurosidad la realidad
en que intervienen y que intentan representar. En razón de las diferencias
observadas históricamente entre países que utilizaban sistemas de
unidades diferentes, o nomenclaturas discordantes, se fueron construyendo
consensos internacionales, con el fin de hacer compatibles la comunicación
y la interpretación de los trabajos científicos. Así nació la IUPAC 1
(Internacional Union of Pure and Aplyed Chemistry) y el Sistema
Internacional de unidades (SI).
El sistema SI, está formado por unidades básicas y derivadas; estas
resultan de la combinación de más de una de aquellas.
1
Unión Internacional de Química Pura y Aplicada
1
De las unidades básicas, se derivan las de superficie, velocidad, y todas las
que resulten necesarias a partir de la interrelación de diferentes
magnitudes que se relacionan entre sí. Además, es muy común que de
acuerdo con la realidad, en muchos casos se deba utilizar una gran
cantidad de ceros, tanto a la derecha como a la izquierda de las cifras
significativas. En estos casos, para minimizar su utilización, resulta
conveniente utilizar la notación científica.
En razón de la gran amplitud dimensional que abarca el universo físico,
desde el mundo subatómico hasta el macrocosmos, resulta imprescindible
emplear
una gran cantidad de ceros, para poder representar
adecuadamente esa realidad. Por ello, y a los efectos de simplificar el
despliegue de números con gran cantidad de dígitos, se aplica la notación
científica, a los efectos de resolver ese problema. Este sistema de notación
se fundamentó en el hecho de que la numeración decimal se basa en el
número 10.
Esto significa que las siguientes cifras, se pueden representar también de
forma exponencial, con b ase 10, a los efectos de no recurrir a una
excesiva cantidad de ceros. Esa escala se representa más abajo:
1 x 101 = 10
1 x 102 = 100
1 x 103 = 1.000
1 x 104 = 10.000
1 x 105 = 100.000;
En la expresión exponencial, el exponente representa la cantidad de ceros
luego de la primera cifra significativa.
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Con el mismo razonamiento, los exponentes negativos expresan la cantidad
de ceros delante de la primera cifra significativa 2, como se muestra a
continuación:
:
1 x 10-1 = 0,1
1 x 10-2 = 0,01
1 x 10-3 = 0,001
1 x 10- 4 = 0,0001
1 x 10 -5 = 0,00001
En consecuencia, se puede generalizar, que una forma de representarlos,
es de acuerdo con:
a.10n
En donde “a” vale entre 1 y 9,99 , y n la cantidad de cifras significativas; a
manera de ejemplo, podemos observar:
5.510 = 5,51 x 103
205.000 = 2,05 x 105
10.000.000 = 1 x 107
0,00112 = 1,12 x 10-3
0,0000008936 = 8,94 x 10-7
2
Inclusive el cero que precede a la coma.
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Existen exponenciales típicos que representan valores desde la escala
cósmica, hasta los del mundo subatómico;
Por lo expuesto, y en vista de la gran diversidad de medidas que requiere
para su expresión un sistema científico, resulta aconsejable aplicar un
sistema de prefijos, a los efectos de asignar, de manera convencional, un
sistema de medición. Se resumen a continuación los prefijos más
comúnmente utilizados y que indican el exponencial del que se trate:
Así, un picosegundo es 10-12 segundos, un femtolitro es 10-15 litros, un
gigabite corresponde a 109 bites, etc.
RESOLUCION DE PROBLEMAS
La gran mayoría de los problemas que derivan de los procedimientos
químicos que aquí se desarrollarán, se basan en ecuaciones lineales, lo que
pone de manifiesto la proporcionalidad equivalente, (directa o inversa)
entre las variables relacionadas.
Es por ello, que en base a esa relación, resulta conveniente utilizar el
razonamiento que nos brinda el uso de la reconocida “regla de tres simple”.
Por ejemplo, si quisiéramos averiguar, cuánto pesan dos moles de Cloruro
de Sodio (NaCl), razonamos así:
Si un mol de NaCl pesa 58, 5 gramos, “2 moles pesarán…. “x””:
1 mol _________________ 58,5 gr.
2 moles _______________ x
En donde x será:
2 moles. 58,5 gr
X = ---------------------------- = 117 gr.
1 mol
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Otro procedimiento útil para la resolución de problemas lo constituye el
“Método del Factor Unitario”, ampliamente conocido como “análisis
dimensional”.
El análisis dimensional utiliza un método fraccionario, en el que se
determina un factor unitario, colocando en numerador y denominador,
valores equivalentes en diferentes unidades, y luego multiplicando este
factor unitario por el dato que debemos resolver.
Un ejemplo puede orientarnos acerca del uso del mismo:
Si se nos pidiera transformar 7,44 m. a cm. Buscamos una equivalencia
entre m. y cm. que nos convenga,
Sabemos que un metro es igual a 100 cm., por lo que el factor unitario será:
1m
------------ = 1;
100 cm
Entonces, lo multiplicamos por la incógnita:
1m
------------ x 744 cm = 7,44 m.
100 cm
Vemos así que se cancelan las unidades que no deseamos (en ese caso
centímetros, cm.), quedando el resultado en metros. que son las
requeridas en la consigna.
El factor unitario permite entonces multiplicar por 0,01 y obtener las
unidades correctas, en base a que la fracción representa una igualdad entre
numerador y denominador.
Si en otro ejemplo se nos pidiera averiguar el peso en grs. de 3,5 moles de
NaCl, estableceríamos el factor unitario de manera tal que se cancelen las
unidades que no se nos requiere (moles) y que deje las necesarias para
resolver el problema; esto es, gramos:
El factor unitario será:
5
58,5 gr. NaCl
1 = --------------------------,
1 mol NaCl
entonces :
58,5 gr. NaCl
-------------------------- X 3,5 moles = 204,75 gr.
1 mol NaCl
Podemos expresar entonces que 3,5 moles de NaCl pesan 204,75 gr.
Este análisis dimensional, permite rápidamente y con poco esfuerzo,
establecer las relaciones unitarias entre dos sistemas, constituyendo una
metodología de sencilla resolución.
CAPITULO 2
MATERIA y ENERGIA
Se denomina materia a todo lo que posee masa y por lo tanto presenta
peso y ocupa un espacio en el universo, como un constituyente de todo lo
concreto conocido. No obstante, comparte esa definición con la antimateria
y la materia oscura, y además posee partículas de masa 0, como los
fotones. En definitiva, llamamos materia a todo lo que forma el universo y es
capaz de impresionar nuestros sentidos o instrumentos.
La materia está sometida y responde a las cuatro fuerzas de la naturaleza:
 gravedad,
 electromagnetismo,
 fuerza nuclear fuerte y
 fuerza nuclear débil.
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Mientras tanto la energía es la capacidad de producir trabajo o calor y su
interrelación con la materia se evidencia a través de la fórmula de Einstein 3:
E = m. c2
Resulta evidente que la materia y la energía se encuentran relacionadas a
través del valor de la velocidad de la luz (en este caso al cuadrado).
Sabiendo que la velocidad de la luz es de 289.000 km/ seg., podemos
denotar que un gramo de materia es capaz de producir un número
extraordinario de unidades de energía, fundamento de las bombas de fisión
atómica, donde al transformar la materia radiactiva, se produce una
imponente liberación de energía
Propiedades de la materia:
La materia presenta diferentes propiedades, que permite identificar a cada
sustancia.
Las propiedades de la materia pueden clasificarse, inicialmente en:
 Propiedades Extensivas
 Propiedades Intensivas
Las propiedades extensivas son aquellas que dependen de la cantidad y
no de la identidad de las sustancias, como lo son el volumen, el peso, la
superficie,
Mientras tanto, las propiedades intensivas, no dependen de la cantidad
de materia analizada y son características de cada tipo de sustancia, por lo
cual resultan útiles para identificar una sustancia particular. Ejemplo de
propiedades intensivas son: entre otras, la densidad, el punto de fusión, el
punto de ebullición, etc.
Si consideramos, por ejemplo, el punto de ebullición queda demostrado
que éste no varía con la cantidad de materia. Esto es: 1 litro de la sustancia
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En donde E, representa energía, m, masa y c, la velocidad de la luz.
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agua hierve a 100 º C y 5 litros de sustancia agua, también hierven a 100 º
C en condiciones normales de Presión y temperatura. La diferencia estriba
en que en el segundo caso será necesario entregar 5 veces más energía
calórica al sistema, pero la temperatura de ebullición será la misma (100
°C).
La DENSIDAD de una sustancia, es una propiedad intensiva, a pesar de
que es la razón entre la masa y el volumen que ocupa, ambas de carácter
extensivo. Podemos observar en este caso que al colocar una en función de
la otra, se establece una proporcionalidad que determina que su razón
origine un valor constante, demostrando que la densidad es una propiedad
intensiva.
La materia es la constituye de todas las sustancias conocidas, en sus
diferentes estados; las propiedades intensivas son los indicadores que
caracterizan su identidad. Además, todas las sustancias están constituidas
por partículas indivisibles llamadas “átomos”.
A lo largo de los años, los estudios demostraron que los átomos no eran las
partículas “últimas” de la materia, y que además estaban muy relacionadas
con la electricidad. Los átomos poseen un núcleo central, y nubes
electrónicas negativas en diferentes niveles de energía, a su alrededor.
Por definición, la antimateria es todo lo que está formado por átomos de
carga inversa a la materia, es decir núcleos negativos y orbitales positivos,
como se grafica más abajo:
Materia: átomo  núcleo con protones (+) y orbitales con electrones (-)
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Antimateria: antiátomo  núcleo con antiprotones (-) y orbitales de
positrones (+).
Importante: la materia no puede
convivir con la anti materia. El
contacto entre ambas produce un
aniquilamiento
mutuo,
con
liberación de grandes cantidades
de energía. Por ello, los
cosmólogos deducen que en el
universo existen zonas con
predominancia de materia, y
otras zonas con prevalencia de
antimateria. Las zonas de
contacto entre ambas regiones,
serían las responsables de la
generación
y
emisión de
ingentes cantidades de energía
cósmica.
En los últimos años se
demostró además, la existencia
de otro tipo de materia,
denominada “ materia oscura”,
que existe solamente a nivel del
macrocosmos y es la que
está regida por energía
ANTIgravitatoria que contribuye,
por acción de esa fuerza, a la
expansión del universo. Su
nombre obedece a que resulta
muy difícil de observar
directamente por lo que se la
determina por métodos
indirectos. Su cantidad es
determinante sobre el
comportamiento expansivo del
universo, y el destino final de
éste.
1
Cuerpo: Se denomina cuerpo a una determinada porción de materia formada por una o más sustancias,
que presenta límites y formas definidos. Cualquier objeto es un cuerpo, como ser, una pirámide hecha con la
sustancia “piedra”, una esfera conformada por la sustancia “madera”, un cilindro de “plomo”, una silla de
“plástico”. A veces alcanza definiciones más complejas y evolucionadas, como el cuerpo humano, el cuerpo
de un animal, o el “cuerpo del delito”.
Por estar un cuerpo formado de sustancias que ocupan un espacio en el universo, en razón de la condición
de impenetrabilidad de todo cuerpo físico, ese espació no puede ser ocupado por otro, al mismo tiempo.
Los cuerpos poseen masa, y la masa de un cuerpo se correlaciona con el peso, a través de la influencia de la
gravedad,  Peso = Masa x Aceleración de Gravedad, es decir que el peso es la fuerza (atracción) que
ejerce un cuerpo sobre otro.
La tierra, en razón de su tamaño respecto de los objetos que se encuentran en ella, semeja una “caída” de
los demás cuerpos sobre su superficie, de “ arriba hacia abajo”, como la Manzana de Newton. Aun cuando el
manzano se encuentre en el hemisferio sur, vemos en el mundo ordinario que la manzana “cae” hacia abajo,
cuando en realidad se trata de la atracción entre dos cuerpos (Uno de gran masa: la tierra, otro de pequeña
masa: la manzana)
De acuerdo con las leyes físicas, todos los cuerpos ejercen atracción gravitatoria entre sí. Dos
Cuerpos, A y B, se van a atraer con una fuerza directamente proporcional a sus masas e inversamente
proporcional a su distancia al cuadrado.
-->
F
mA . mB
= ----------------------d2
Sustancia: es el tipo de materia que constituye un cuerpo.(Ej.: Barra de sustancia Aluminio, barra de
sustancia acero, barra de sustancia hierro, barra de sustancia hielo, barra de sustancia chocolate, agua
destilada contenida en un vaso, alcohol absoluto en su botella cerrada, etc.) La forma del cuerpo es una
barra, o en el caso de un líquido, el del recipiente que lo contiene, pero la sustancia resulta diferente en cada
caso, en virtud de presentar distintas propiedades físico- químicas.
Todas las sustancias están sometidas a transformaciones físicas, químicas y nucleares.
Una transformación física es un proceso durante el cual una sustancia cambia su forma, volumen, estado de
movimiento o estado de agregación, pero sigue siendo la misma sustancia. Ejemplo: evaporación del agua,
dilatación térmica del cobre.(no se modifica la sustancia: el agua sigue siendo agua, en otro estado, y el cobre
mantiene su identidad y sólo modificó su volumen).
En una transformación o reacción química, en cambio, una sustancia se convierte en otra u otras diferentes.
Ejemplo: transformación de vino en vinagre, fermentación del azúcar, etc.
En una transformación nuclear, no hay modificaciones químicas de la molécula, sino modificaciones en el
núcleo del átomo. Estas no se verifican en los laboratorios comunes, sino que corresponde a los centros
nucleares, y no caen bajo el campo de estudio de la química, sino de la física. Involucran emisiones
radiactivas, transmutaciones, fisión nuclear, y requiere la participación de grandes cantidades de energía.
SISTEMAS MATERIALES
Se denomina Sistema Material a toda porción del universo, que posee masa y que es aislada para su estudio.
Todo lo que rodea al sistema material, y sobre el que puede influir, se denomina “ambiente”.
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Si se pretende estudiar un pez en su pecera, el pez es el objeto de estudio (sistema material) y lo que lo
rodea (pecera), y le genera condiciones particulares que inciden sobre el sistema material será el medio
ambiente.
De acuerdo a la relación que el sistema material establece con su ambiente, se pueden objetivar tres
situaciones:
El sistema material y el medio intercambian materia y energía : SISTEMA ABIERTO
El sistema material intercambia sólo energía, pero no materia: SISTEMA CERRADO
El sistema material no intercambia ni materia ni energía con el ambiente: SISTEMA AISLADO O
ADIABÁTICO.
En un sistema abierto, el Sistema Material (SM), puede intercambiar materia y energía libremente con el
medio. Un recipiente con agua en ebullición y sin tapa corresponde a un sistema de éste tipo: escapa materia
en forma de vapor, y energía en forma de calor hacia el medio.
Si al recipiente del ejemplo anterior se lo dota de una tapa, de manera que el vapor no pueda escapar, se
transformará en un sistema cerrado: el calor escapará a través de las paredes del recipiente (intercambio de
energía con el medio), pero la materia no sale.
En el caso que se conforme una capa aislante, como la de un termo alrededor del recipiente, el sistema
alcanzará a contener, además de la materia, a la energía: Esto constituye el caso de un ejemplo de sistema
ADIABATICO. No obstante, cabe hacer la salvedad de que no existe un sistema adiabático perfecto en el
mundo ordinario, tratándose más bien de una definición teórica, ya que con el tiempo, la energía finalmente
escapa.
De acuerdo son su aspecto, los sistemas materiales se pueden clasificar en:



Sistemas Heterogéneos : Sistemas formados por más de una fase
Sistemas homogéneos: Sistemas formados por una sola fase
Sistemas inhomogéneos: Una sola fase con propiedades variables de manera paulatina.
SISTEMAS HETEROGENEOS: Si analizamos un sistema constituido por agua y aceite en un vaso,
comprobaremos que presenta una capa de aceite en la zona superior y otra de agua, debajo de aquella.
Si no consideramos al aire, podemos decir que el sistema está formado por una fase agua y una fase aceite.
El sistema en su conjunto presenta disparidad de propiedades ya que es evidente que el agua y el aceite
presentan propiedades diferentes. Decimos en ese caso que el sistema es BIFASICO, ya que está formado
por dos fases: fase agua y fase aceite, con una clara delimitación entre ellos, llamada interfase.
En cambio, si estudiamos un vaso de agua salada, decimos que es monofásico, ya que presenta una sola
fase, ya que el agua salada no muestra diferencias entre un punto y otro, si lo observamos a simple vista o
con el ultramicroscopio.
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Aire
Agua
salada
Entonces :
Sistema heterogéneo es aquel que presenta distintas propiedades intensivas en por lo menos dos de sus
puntos, con una delimitación entre ellos, llamada interfase. Decimos además que los Sistemas
heterogéneos están formados por más de una fase.
Otros sistemas heterogéneos son, por ejemplo, muestras de agua con benceno, arena con limaduras de
hierro, el granito, el mármol, etc.
Cada fase constituyente del sistema heterogéneo, es un sistema homogéneo en sí mismo, denominado fase.
Las fases pueden presentar cualquiera de los tres estados físicos, y estar formadas por uno o más
componentes. Están separadas entre sí por superficies netas y definidas, Por ejemplo un sistema
heterogéneo de tres fases es agua, hielo y vapor de agua. (La misma sustancia agua en tres estados
diferentes).
Ese sistema tiene tres fases ( agua líquida, vapor de agua y hielo), y un solo componente: agua.
Tres fases y un componente:
Si nuestro sistema está formado por agua salada, un trozo de madera y gas hidrógeno, tiene
Tres fases y cuatro componentes:
Ttambién hay tres fases ( fase agua salada, fase maderas y fase hidrógeno), pero en vez de un componente,
hay cuatro: sustancia agua, sustancia sal, sustancia madera y sustancia hidrógeno.
Mezclas:
Cuando dos o más sustancias se reúnen en un sistema disperso, en proporciones variables y no definidas y
sin que se produzca una interacción química, decimos que se ha formado una mezcla. Las fases que están en
mayor cantidad, se llaman fases dispersantes, y las que se encuentran en menor proporción, fase dispersa.
Se clasifican en:
- Dispersiones: son sistemas heterogéneos
- Soluciones: son sistemas homogéneos
De acuerdo con su apariencia visual, las mezclas pueden ser
A) observables:
 Macroscópicamente: Se aprecian a simple vista, por ejemplo, el granito es una mezcla
heterogénea, en el que se pueden distinguir cuarzo, feldespato y mica. Cada fase presentan
distintas propiedades, correspondientes a cada sustancia. Son las mezclas heterogéneas
macroscópicas.
 Microscópicamente : Para poder observar las diferencias entre fases, se debe recurrir a
herramientas ópticas como la lupa, el microscopio óptico o el ultramicroscopio. Son las
denominadas mezclas heterogéneas microscópicas o coloidales. (Ej.: Leche, tinta china)
B) No observables : ni aún con el más potente microscopio se pueden observar las distintas fases
constituyentes. Esto corresponde al caso de las soluciones, en el cual el soluto, disuelto en el solvente, no
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puede ser observado por ningún instrumento. Su clasificación corresponde a los sistemas
HOMOGENEOS.
En un sistema homogéneo, puede haber sustancias puras o mezclas que presentan una sola fase
Una sustancia es pura cuando posee un solo tipo de moléculas: agua pura, alcohol absoluto, benceno, ácido
nítrico, etc. En estos casos, son sustancias puras moleculares, ya que sus partículas están formadas por
más de un tipo de átomo. El cobre, hidrógeno, plata, hierro, son sustancias puras, pero en este caso
elementales, ya que están formados por un sólo tipo de átomos.
Sistemas Homogéneos
Un sistema es Homogéneo cuando presenta una sola fase, ya que sus propiedades son idénticas en todos los
puntos del sistema.
Un sistema homogéneo se presenta con iguales propiedades en todos sus puntos (una sola fase). Si
observamos un recipiente con agua, esta es homogénea , ya que sus propiedades intensivas son idénticas en
cada punto del sistema: presenta una sola fase. Si al agua, le agregamos sal, ésta se disuelve y constituye
agua salada, también homogénea, con una sola fase. Todos los puntos del sistema resultan iguales. En el
primer caso se trata de una sola sustancia ( agua) y en el segundo, de dos (agua y sal) En el primer caso
hablamos de sustancia pura y en el segundo de solución. Si en lugar de agua, observamos un recipiente con
mercurio, también estamos frente a un sistema homogéneo constituido por una sustancia pura. En el caso del
agua, se trata de una sustancia pura compuesta, ya que su molécula posee átomos de hidrógeno y de
oxígeno; el mercurio en cambio, es homogéneo y sustancia pura simple, ya que posee exclusivamente
átomos de mercurio
En síntesis, se puede expresar que cuando el sistema material es homogéneo a simple vista, con
microscopio óptico y aún con ultramicroscopio(se observa una sola fase), puede ser
A:
B:
C:
sustancia pura simple; una sola sustancia – átomos iguales - (Mercurio)
sustancia pura compuesta – moléculas iguales – (Agua)
solución: más de un tipo de moléculas ( agua salda)
Sistemas Inhomogéneos:
Se trata de sistemas materiales que presentan una modificación gradual y paulatina de sus propiedades,
bajo la conformación de un matiz.
A simple vista pueden pasar inadvertidamente como de naturaleza homogénea, pero al estudiar sus
propiedades, se puede apreciar su carácter gradual. Ejemplos de estos sistemas lo constituye la atmósfera: a
simple vista parece homogénea, pero la mezcla gaseosa se va modificando al variar la altura.
Los sistemas con gradiente de concentración, constituyen otro claro ejemplo de estos sistemas.
Los sistemas dispersos son heterogéneos y están formados por partículas pequeñas de una sustancia (fase
dispersa) distribuida uniformemente en el seno de otra sustancia (fase dispersante).
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Dispersión
Fase Dispersante
Fase Dispersa
Tinta china
Agua
Negro de humo
Niebla
Aire
Agua
Arcilla en agua
Agua
Arcilla
Sistemas Coloidales
Son sistemas heterogéneos cuya fase dispersa posee un tamaño muy pequeño (0,1 μ > p > 0,001 μ) y que
solo son visibles al ultramicroscopio. Las partículas de la fase dispersa se denominan micelas. Los sistemas
coloidales son importantes por sus propiedades físico-químicas y biológicas. Participan activamente en los
sistemas biológicos, merced a sus actividades eléctricas, mecánicas y ópticas.
Ejemplos: gelatina, agar, clara de huevo en agua, citoplasma de una célula.
Los sistemas coloidales pueden hallarse en dos estados:
Estado micelar sol: se forma cuando las micelas están dispersas en suficiente cantidad de dispersante.
Estado micelar gel: se produce cuando las micelas interaccionan entre sí como consecuencia de la
precipitación, coagulación o desecación, lo que produce el acercamiento de esas micelas.
En síntesis, resulta adecuado integrar los sistemas materiales, según la siguiente clasificación.
Nota: véase la diferencia entre FASE y COMPONENTE.
Que un sistema contenga más de un componente NO significa que sea un sistema heterogéneo, así lo
comprobamos por ejemplo con el agua salada que forma una solución compuesta por agua y sal (dos
componentes) pero sin dejar de ser un sistema homogéneo, una sola fase.