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UNIDAD1: SISTEMAS MATERIALES

Todo lo que nos rodea (el universo) está formado por algo común que denominamos materia y que se define como todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Son materia el agua, el aire, los alimentos, la carne, los huesos del cuerpo humano, los plásticos, los ladrillos, etc. Los distintos tipos de materia se denominan sustancias, y se distinguen gracias a sus diferentes propiedades.  Propiedades de la materia Una propiedad de la materia es una cualidad de ésta que puede ser apreciada por nuestros sentidos (caracteres organolépticos) o determinada por mediciones (constantes físicas o específicas). Se clasifican en dos amplias categorías: propiedades físicas y propiedades químicas. Por ejemplo si aplicamos uno de estos conceptos para identificar una sustancia como el oro, podemos decir, que es de color amarillo, que funde (pasa al estado líquido) a 1063 C, y que conduce la electricidad. Todas estas características responden a la categoría de propiedades físicas ya que en su determinación no se forma ninguna sustancia nueva. Las propiedades físicas se subdividen además en dos grupos:

 Extensivas: varían con la cantidad de materia considerada. Ej.: masa, volumen.  Intensivas: no varían con la cantidad de materia. Ej.: densidad, punto de

fusión.

En cambio si nos referimos al gas natural (principalmente metano) podemos afirmar que al quemarse produce dióxido de carbono y agua. Esta propiedad se clasifica como química ya que su determinación implica un cambio químico: la formación de dos nuevas sustancias. Con estos conceptos podemos ahora redefinir el término sustancia diciendo que es toda porción de materia que tiene las mismas propiedades intensivas.  Estados de agregación de la materia La materia puede presentarse fundamentalmente en tres estados físicos diferentes, sólido, líquido y gaseoso, cuyas características están descriptas en el siguiente cuadro:

 Cambios de estado Estado sólido

Estado líquido

Estado gaseoso



es rígido



es fluido



es fluido, pero fácilmente



presenta forma independiente



adopta la forma del recipiente



compresible ocupa todo el volumen del



del recipiente que lo contiene entre sus moléculas



que lo contiene las fuerzas de atracción y



recipiente que lo contiene predominan entre sus

predomina la fuerza de

repulsión entre sus moléculas

moléculas las fuerzas de

atracción (fuerzas de van der

están equilibradas.

repulsión. Las fuerzas

Waals).

atractivas de van der Waals son despreciables.

En condiciones ordinarias de presión y temperatura, la materia presenta un estado físico determinado, pero variando las condiciones puede pasar de un estado a otro (cambio físico). Todos los posibles

cambios de estado se llevan a cabo absorbiendo o liberando calor. Un proceso en el que se absorbe calor se denomina endotérmico, mientras que uno en el cual se libera calor se denomina exotérmico. Cambios de estado de la materia:

Sublimación

Vaporización

Vapor

Fusión

Líquido

Condensación

Sólido

Solidificación

Deposición Un material en estado gaseoso puede estar en o con uno de sus estados condensados y recibe el nombre de vapor. Los fenómenos de evaporación y ebullición se engloban bajo el nombre de vaporización. Si la vaporización de un líquido se produce únicamente en la superficie del liquidó se denomina evaporación y si se produce en toda la masa del líquido se le llama ebullición.  Sistema material Un sistema material es la porción del universo que se aísla real o imaginariamente para su estudio. Pueden ser de dos tipos: homogéneos o heterogéneos. Si al analizar las propiedades intensivas de un sistema encontramos que tienen valores constantes en cualquier zona de éste decimos que el sistema es homogéneo. Ej. agua salada, alcohol. Sistema homogéneo es aquel que en todos los puntos de su masa posee iguales propiedades intensivas. Si en cambio encontramos variación en los valores de las propiedades intensivas en por lo menos dos zonas del sistema, decimos que el sistema es heterogéneo. Ej.: agua con hielo, aceite y vinagre. Sistema heterogéneo es aquel que en distintos puntos de su masa posee diferentes propiedades intensivas. En estos sistemas encontramos distintas porciones en las cuales los valores de las propiedades intensivas son constantes, se trata de las distintas fases del sistema heterogéneo. Por ejemplo un sistema formado por agua y hierro en polvo está formado por dos fases; en una botella con soda (abierta, sin tapa y llena hasta el tope) se diferencian tres fases: la sólida del vidrio de la botella, la líquida de la soda y la gaseosa de las burbujas del dióxido de carbono. Las tres fases tienen límites claros definidos que pueden notarse a simple vista o mediante instrumentos adecuados (lupa, microscopio). A estos límites o superficies de discontinuidad los llamamos interfases.

Clasificación de la materia Al clasificar a la materia se distinguen dos grandes grupos: las sustancias puras y las mezclas. Las sustancias puras son sistemas homogéneos que están formados por una sola sustancia. Poseen propiedades

específicas

o

intensivas

constantes,

propias

y

exclusivas

de

ellas.

Resisten

los

procedimientos mecánicos y físicos del análisis. Ninguno de estos procedimientos permite obtener porciones que no sean esa misma sustancia pura. Se denomina mezcla a los sistemas homogéneos o heterogéneos formados por más de una sustancia. El siguiente esquema muestra las diferencias entre ambos conceptos:

MATERIA Sustancias puras 

Sistema homogéneo de un solo

Mezclas 

componente 

Sistema homogéneo o heterogéneo, formado por dos o

Composición fija



más componentes composición variable



no pueden separarse por medios



pueden separarse por métodos



físicos temperatura constante durante



físicos temperatura variable durante los



cambios de estado Ejemplos: agua, hierro, dióxido de carbono



cambios de estado Ejemplos: agua y arena, aire (mezcla de gases).

Cada uno de estos dos grupos se clasifica de la siguiente manera:

Simple Sustancia Pura Compuesta

Soluciones (una sola fase) Mezcla Dispersiones (varias fases) Las sustancias cuyas moléculas están formadas por uno o varios átomos iguales entre sí no se pueden descomponer y se llaman sustancias puras simples. Ej.: O 2, N2,Fe. Las sustancias cuyas moléculas están formadas por dos o más átomos diferentes se pueden descomponer y se denominan sustancias puras compuestas. Ej.: H 2O, CO2. Elemento es el componente común a una sustancia simple. Los elementos son sustancias simples, pero no toda sustancia simple es un elemento, pues por ejemplo el diamante y el grafito, que son sustancias simples, no son elementos sino que están constituidos por el elemento carbono.

Las sustancias en las que se descompone una sustancia compuesta pueden ser simples o a su vez compuestas. Pero estas sustancias compuestas pueden a su vez descomponerse en sustancias simples. Conclusión: toda sustancia compuesta puede descomponerse, en último término, en sustancias simples. A las mezclas homogéneas se las denomina soluciones (ej.: agua y azúcar) y a las heterogéneas, dispersiones (agua y aceite). Resumen de los conceptos aprendidos:

Materia aparece en la naturaleza en forma Heterogénea

Homogénea como

como

Mezclas Homogéneas

Sustancias Puras

Mezclas Heterogéneas especialmente

que son

como Mezclas Gaseosas Agua y Aceite

como

Compuestos

Elementos

como

ejemplos

Dióxido de carbono, CO2

Agua, H2O

Aire (N2, O2)

Carbono, C Hidrógeno, H Oxígeno, O

Clasificación de la materia: como se ha discutido anteriormente, toda la materia se halla formada por compuestos o elementos. Estos pueden encontrarse como sustancias puras o como mezclas homogéneas o heterogéneas. Dichas relaciones se resumen en la siguiente figura.

Materia, Sustancias Elementos, sustancias puras

Mezclas Homogéneas (Soluciones)

Reacciones químicas

Procesos físicos

Compuestos, sustancias puras

Mezclas Heterogéneas

Se conocen más de cien elementos que se agrupan en una tabla llamada TABLA PERIODICA . A todos los elementos se les ha asignado un símbolo químico constituido por una o dos letras (la primera con mayúscula), tomadas del nombre del elemento generalmente en latín u otro idioma. Ejemplo:

H: hidrógeno

Ag: plata

Cl: cloro

Au: oro

W: wolframio

Na: sodio

Es conveniente familiarizarse con los símbolos de los elementos, el uso frecuente ayudará a retenerlos. Un compuesto se representa a menudo mediante una abreviatura química formada por los símbolos de los elementos. Ejemplo:

H2O: agua

H2SO4: ácido sulfúrico

NH3: amoníaco

KCl: cloruro de potasio

Los compuestos no son mezclas, ya que no se separan por medios físicos y además su composición es constante. Por ejemplo el cloruro de sodio (sal de mesa), es un compuesto que está formado por dos elementos Na (sodio) y Cl (cloro) y su fórmula es NaCl. En cualquier muestra de este compuesto

la

proporción de sus elementos es 39,7 % de Na y 60,7 % de Cl. Esta forma de expresar la composición significa que por cada 100 g de NaCl, 39,7 g corresponden al elemento Na y 60,7 g del elemento Cl. De manera contraria, la composición de una mezcla puede variarse en un amplio rango. Esto quiere decir que si preparo una mezcla de agua y sal de mesa, cada componente mantendrá una composición fija entre sus elementos, pero sin embargo se puede variar la composición de la mezcla, por ejemplo:  100 g de agua y 5 g de sal

 50 g de agua y 0,3 g de sal

Como ya vimos, las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Podemos utilizar las diferencias en las propiedades de los sistemas materiales para lograr la separación de sus componentes. Así en un sistema formado por más de una fase (heterogéneo) éstas pueden separarse por métodos mecánicos. Cada una de las fases separadas puede estar formada por uno o varios componentes. En este caso los métodos de fraccionamiento permitirán separar cada uno de ellos. Una descripción detallada de los distintos métodos de separación la encontrará en libros de texto del secundario. Es necesario que los repase para resolver los ejercicios del final de la unidad.

Ejercitación: Se tiene una mezcla de 25 g de azufre, 15 g de cuarzo, 50 g de limaduras de hierro y 50 cm 3 de agua en un recipiente. Indicar: a) De los componentes del sistema, ¿cuáles son sustancias simples y cuáles sustancias compuestas? b) ¿La mezcla es homogénea o heterogénea? c) ¿Cómo podrían separarse las limaduras de hierro del resto de la mezcla? ¿En qué se basa la separación?

d) Si en el sistema hubiera 100 g de limaduras de hierro, ¿se podría haber utilizado el mismo procedimiento? ¿por qué? e) Expresar la composición del sistema original en %. Solución: a) Sustancias simples: azufre e hierro. Sustancias compuestas: cuarzo y agua. b) La mezcla es heterogénea ya que presenta más de una fase. c) El hierro puede separarse con un imán debido a la propiedad física de ser atraído por un imán (magnetismo). d) Sí, porque la capacidad del hierro de ser atraído por un imán es una propiedad intensiva, independiente de la masa de hierro. e) Considerando la densidad del agua: 1 g/cm3, la masa del agua es 50 g. La masa total es: 25 g + 50 g + 15 g + 50 g = 140 g Los porcentajes se calculan de la siguiente forma: 140 g -------- 100 % 25 g -------- (100 x 25)/ 140 = 17,9 % de azufre De la misma manera se obtiene: 35,7 % de hierro, 10,7 % de cuarzo y 35,7 % de agua.

EJERCITACIÓN GUIA 1: 1.a) b) c) d)

Diga si a continuación se describen cambios físicos o químicos: Una cucharada de sal de mesa se disuelve en un plato de sopa. El crecimiento de las plantas depende de la energía solar en un proceso llamado fotosíntesis. El hierro tiende a oxidarse. Los granos de café se muelen para obtener un polvo fino.

2.- Identificar sustancias puras y mezclas: tinta - diamante (C) - agua marina - bromo líquido (Br2 (l))- cianuro de potasio (KCN)- vino mercurio (Hg) - alcohol (etanol, CH3CH2OH) 3.- Las siguientes propiedades fueron determinadas para un trozo de Fe. Indicar cuáles son intensivas y cuáles son extensivas: masa: 40 g, = 7,8 g/cm3, color: grisáceo, punto de fusión: 1535 C, volumen: 5,13 cm3, se oxida en presencia de aire húmedo, es insoluble en agua. 4.- El punto de fusión de una sustancia es -97 C y su temperatura de ebullición 55C. Determinar en qué estado se encuentra la sustancia. A temperatura ambiente a -56 C - a -100 C - a 100 C 5.a) b) c) d) e) f) g)

Cuáles afirmaciones son correctas? Justificar. Un sistema con un sólo componente debe ser homogéneo. Un sistema con dos componentes líquidos debe ser homogéneo. Un sistema con dos componentes gaseosos debe ser homogéneo. Un sistema con varios componentes diferentes debe ser heterogéneo El agua está formada por la sustancia oxígeno y la sustancia hidrógeno. El óxido de sodio (Na2O) está formado por el elemento sodio y el elemento oxígeno. Si se calienta una determinada cantidad de líquido su volumen aumenta y en consecuencia su masa.

6.- Las siguientes proposiciones se refieren a un sistema formado por tres trozos de hielo flotando en una solución acuosa de sal (cloruro de sodio). Marcar las correctas y justificar: a) El sistema es homogéneo. b) El sistema tiene dos interfases. c) El sistema tiene tres fases sólidas y una líquida. d) El sistema tiene dos componentes. e) El sistema tiene tres componentes. f) Los componentes se separan por filtración más destilación. 7.a) b) c)

Dado el sistema: agua-aceite-cuarzo: ¿Es un sistema homogéneo o heterogéneo? ¿Cuáles son sus componentes? ¿Cuántas fases hay y cuáles son?

8.a) b) c)

Se tiene azúcar y sal disueltos en agua, qué afirmaciones son correctas? Justifique. La densidad de la solución es igual en todas las porciones del sistema. El sistema está constituido por más de una sustancia. El sistema tiene una sola fase a cualquier temperatura.

9.- Un buscador de oro recoge del lecho del río una muestra compuesta por 90 g de arena, 40 g de canto rodado, 10 g de cuarzo y 2 g de oro. Indicar la composición porcentual del lecho del río. 10.- El aire es una mezcla gaseosa homogénea que contiene 75,4 % en peso de N 2, 23,2 % de O2 y el resto de Argón. Indicar la masa de cada componente que se encuentra en 237 Kg de aire. 11.- Un sistema heterogéneo contiene hierro, aceite y agua, la composición es 25 % (m/m) en aceite y 60 % en agua. a) ¿Cuántas fases tiene el sistema? b) Si se separa el aceite, ¿cuál es la composición del sistema resultante? c) ¿Cómo haría la separación? 12.- Una solución de una sal en agua tiene una masa de 1,54 Kg y contiene 40% de sal. Calcular la masa de la sal y la del agua que forman dicha solución. Indicar y justificar cuántos componentes y fases presenta el sistema. 13.- Señale, entre las propiedades que se enumeran, cuáles son extensivas y cuáles intensivas: peso -olor - peso específico - sabor - calor de vaporización- superficie- punto de ebullición dureza - calor de fusión - forma cristalina 14.- Nombrar un sistema heterogéneo formado por: a) Una fase líquida y una sólida. Dos fases sólidas.

Dos fases sólidas y una líquida.

b)

Dos fases líquidas.

15.- Una solución acuosa de cloruro de sodio (sal) tiene una suspensión de carbón en polvo. Indicar si el sistema es homogéneo o heterogéneo; las fases que lo componen; qué sustancias forman el sistema y de ellas cuáles son simples y cuáles son compuestas. 16.- Dar dos ejemplos de sistemas homogéneos sólidos, otros dos de sistemas homogéneos líquidos y otros dos de sistemas homogéneos gaseosos. 17.- Indicar cuáles de las sustancias que se mencionan son un elemento, una mezcla o una sustancia pura compuesta: agua salada bronce - oxígeno aire - humo - nitrógeno - dióxido de carbono - óxido de mercurio 18.- De la siguiente lista: tinta, agua, hierro, aire y cromato de potasio. Indique. a) Cuáles son sustancias simples, cuáles son sustancias compuestas. b) Cuáles son mezclas. c) A partir de dicha lista elija los componentes adecuados para formar una mezcla homogénea y una mezcla heterogénea. 19.- Dados los siguientes sistemas, indicar cuáles son homogéneos y cuáles heterogéneos. En cada caso indicar el número de fases y el de componentes. : Agua líquida - Varios trozos de hielo -Agua líquida y un trozo de hielo Cloruro de sodio (sal) - Cloruro de sodio mezclado con carbón - Agua con tres esferas de plomo 20.- Proponer: a) Un sistema homogéneo con tres componentes. b) Un sistema trifásico con un solo componente. c) Un sistema trifásico con dos componentes. 21.- ¿Qué es el aire? Indicar las respuestas correctas. Un sistema material. - Una sustancia. Un sistema homogéneo. Una solución en fase gaseosa. Un sistema heterogéneo. 22.- El punto de fusión de una sustancia es de -90 C y su temperatura de ebullición de 50 C. Señalar en qué estado se halla la sustancia en los siguientes casos:A temperatura ambiente - -50 C - -120 C - 110 C