Sistemas Materiales

QUÍMICA IV° AÑO SISTEMAS MATERIALES Y SU COMPOSICIÓN COMPOSICIÓN POCENTUAL (PRIMERA PARTE) Cuerpo: Es toda porción limitada de materia.- Eje.: Un banco, una silla, una tiza, etc.Materia: Es el componente común de todos los cuerpos dotados de masa. En otras palabras, es todo lo que tiene peso y ocupa un lugar en el espacio.Propiedades de la materia: Propiedad de la materia es una cualidad de la misma que puede ser apreciada por los sentidos, por ejemplo el color, la dureza, el peso, el volumen, etc.Las propiedades se clasifican en dos grandes grupos: a) Propiedades extensivas: Dependen de la cantidad que se está analizando y no dan información suficiente para identificar completamente una sustancia de otras.

Eje.: el volumen, el peso, la superficie, el color, la dureza, etc.- Una bolita de vidrio puede pesar 5 g ; otra bolita de vidrio más grande, pesará más de 5 g .

El peso depende de la cantidad de materia y por lo tanto, el peso es una propiedad extensiva.b) Propiedades intensivas: No dependen de la cantidad analizada es decir son las mismas, ya sea que se las mida en porciones pequeñas o en grandes masas.

Estas propiedades suministran la información suficiente para identificar con exactitud la sustancia de que se trata.- Por ejemplo: la temperatura de fusión del hielo, a presión normal, es de 0 ºC, cualquiera sea la cantidad de hielo que se considere. El punto de ebullición del agua a presión normal es de 100 ºC , independientemente de la cantidad de agua que se haga hervir.

Decimos entonces que, tanto el punto de fusión como el punto de ebullición, son propiedades intensivas. Atendiendo a la forma como se determinan, las propiedades se dividen en : I) Caracteres organolépticos: Son aquellos que son percibidos por los cinco sentidos, éstos son: la vista, el olfato, el gusto, el oído y el tacto. Ej.: color, sabor, olor, aspereza, sonido metálico, etc.II) Constantes Físicas: Se determinan experimentalmente y permiten, sin lugar a dudas, diferenciar las sustancias.- Eje.: densidad, punto de fusión, punto de ebullición, índice de refracción, calor específico, etc.Sustancia: La materia que conforma los cuerpos se puede agrupar en sustancias, atendiendo a sus propiedades intensivas.- Así , toda la materia que en condiciones normales de presión hierve a 100 ºC y solidifica a 0 ºC, se denomina agua. La materia sólida que funde a 114,5 ºC y hierve a 444,7 ºC se denomina azufre. También podemos hablar de la sustancia vidrio, la sustancia plomo, la sustancia cobre, la sustancia oxígeno, etc., que son materias que se agrupan y se les da un nombre identificatorio porque tienen propiedades intensivas que los identifican.Sistema Material: es toda porción de Universo dotado de masa , que se aísla en forma real o imaginaria para su estudio experimental.Química :es precisamente la Química la disciplina científica que se ocupa de investigar la composición de los Sistemas Materiales y los cambios que se producen en ellos.Clasificación de los Sistemas materiales : a) Sistemas Homogéneos: Son sistemas materiales cuyas propiedades intensivas son iguales en todos los puntos de su masa, es decir que no presentan ninguna discontinuidad en sus propiedades, ni aún si se lo observa con un ultramicroscopio.

Eje.: agua destilada, nafta, agua azucarada, sal, azufre, diamante, el querosén , etc.Los sistemas homogéneos tienen una sola fase o constituyente, es decir: son monofásicos.b) Sistemas Heterogéneos: Están formados por dos o más fases. Si las fases son dos, se los denomina bifásicos, si son tres: trifásicos, si son cuatro: tetrafásicos, etc. Los hay también que presenta numerosas fases, en cuyo caso decimos que son polifásicos.Los sistemas heterogéneos se caracterizan por presentar una superficie de separación entre cada una de las fases componentes. A esta superficie se la llama interfase.Eje.: vino con borra, el granito (formado tres fases: cuarzo, feldespato y mica) , agua-aceite, IEPM – Química IV Año – Sistemas Materiales – Pág.: 1/9

agua con arena, la niebla: aire y gotas de agua, etc. Las propiedades intensivas de los sistemas heterogéneos no son uniformes porque cada fase tiene propiedades distintas.

En la mayoría de los casos las fases de estos sistemas pueden ser identificadas a simple vista, con ayuda de una lupa, de un microscopio común o de un ultramicroscopio.c) Sistemas Inhomogéneos: son los que no presentan superficies de discontinuidad pero cuyas propiedades varían en forma gradual y continua. En otras palabras, son sistemas heterogéneos pero sus propiedades intensivas no varían bruscamente al pasar de una fase a otra, sino que van cambiando en forma gradual. Por esta razón no presentan una interfase definida , sino difusa y no identificable.Eje.: remolacha en el agua, cristales de sulfato de cobre en agua y la propia atmósfera terrestre.Componentes y constituyentes En el sistema: agua, hielo, aire, podemos distinguir tres fases o constituyentes, pero solamente dos componentes ya que el agua y el hielo son un mismo componente y el aire el otro .Total dos componentes.

En el sistema agua-hielo-vapor tenemos tres fases o constituyentes pero un solo componente: el agua en sus tres estados (sólido, líquido y vapor) Separación de los sistemas materiales: Veamos ahora en que caso y por qué métodos se pueden separar los sistemas materiales: a) Sistemas homogéneos: Comenzaremos por los Sistemas homogéneos, que se clasifican en dos tipos: 1) Sustancias puras (o especies químicas): no son separables 2) Soluciones: están formadas por dos o más sustancias puras que pueden separarse.Veamos ésto en detalle: 1) Sustancias puras: Son sistemas homogéneos con propiedades intensivas constantes, que resisten a los procedimientos mecánicos y físicos de separación (análisis). Esto significa que si sometemos a procedimientos mecánicos o físicos una porción de sustancia pura, obtendremos siempre otra porción de la misma sustancia pura .Estos sistemas homogéneos (las sustancias puras), están formados por una sola sustancia. y poseen propiedades intensivas propias y exclusivas de esa sustancia.Eje.: -La sustancia pura “hielo”, funde a 0 ºC y ninguna otra sustancia tiene ese punto de fusión.-La sustancia hierro funde a 1500 ºC y ninguna otra sustancia funde a esa temperatura.-La sustancia mercurio tiene una densidad de 13,6 g/cm3 y ningún otro elemento tiene esa densidad.En resumen: las sustancias puras no son separables por medios mecánicos ni físicos.2) Soluciones: Son sistemas homogéneos constituidos por dos o más sustancias puras (también llamadas especies químicas) . Las soluciones pueden ser reducidas a sus componentes, por medios físicos o mecánicos sencillos, según veremos a continuación.Eje.: solución agua/sal pueden ser separados sus componentes por destilación, obteniéndose agua y sal.Métodos de separación de los sistemas homogéneos: Los métodos más usados para separar sistemas homogéneos son cuatro: destilación simple, destilación fraccionada, cristalización y cromatografía .-Destilación simple: Se emplea para separar el disolvente, de las sustancias sólidas diluidas en él. Se coloca la solución en un balón y se recogen los vapores de la ebullición y se los enfría en un tubo refrigerante donde corre agua fría a contracorriente. Los vapores condensan y se recoge el agua en un matraz. Cuando toda el agua se evapore, quedarán en el balón las sustancias sólidas de la solución.-Destilación fraccionada: se emplea para separar una solución de dos líquidos de distinto punto de ebullición. Funciona mejor cuando los puntos de ebullición son bastante distintos. Por ejemplo, una IEPM – Química IV Año – Sistemas Materiales – Pág.: 2/9

solución de agua (punto de ebullición = 100 ºC) y alcohol (punto de ebullición = 78 ºC). En primer término se desprenden vapores de alcohol con poca agua, que condensan en el condensador.

Mientras que ésto ocurre, el termómetro marca 78ºC. Cuando todo el alcohol hubo destilado, comienza a destilar el agua y el termómetro marca 100 ºC. Se retira entonces el matraz con alcohol y se destila el agua.

-Cristalización: este método se usa para separar soluciones que, al quedar en reposo, se forman cristales en el fondo del recipiente.

Eje.: solución agua/sal.- solución de azufre disuelto en sulfato carbono.-Cromatografía: Se usa para separar los pigmentos de una solución coloreada. Consiste en una tira de papel de filtro que se coloca en un frasco que contiene en el fondo una pequeña cantidad de solvente (éter, butanol, etanol, etc).

La sustancia a separar se deposita sobre el papel cerca del borde que el solvente y luego se permite que el papel toque el fondo.El solvente asciende por capilaridad y arrastra los componentes de la solución investigada, que suben, junto con el solvente hasta diferentes alturas según su peso molecular.Separación de fases en Sistemas heterogéneos: Se entiende por “Separación de fases de sistemas heterogéneos” al proceso por el cual se separan los diversos sistemas homogéneos o fases que los componen.Los procedimientos empleados son muy variados ya que existe una solución para cada tipo de sistema veremos algunos a título de ejemplo y para formar criterio: a) Decantación: para sistemas formados por una o más fases sólidas y una líquida o para sistemas de dos fases líquidas no miscibles y de diferente densidad. Se lo deja en reposo y luego se separa mediante succión del agua o con una ampolla de decantación que permite escurrir en primer término el líquido que está en la parte inferior.Para la precipitación se usan vasos de precipitación en los que sobrenada el líquido y precipita el sólido. Para extraer el agua se vierte inclinando el vaso o se succiona por medio de un sifón, tal como muestra la figura.En el caso de separar soluciones de líquidos no miscibles y de distinta densidad, se utiliza la probeta de decantación que, abriendo la llave, permite escurrir el líquido que está en la parte inferior. b) Filtrado: se lo emplea en sistemas en los que hay una fase líquida que tiene partículas sólidas en suspensión.

Ejemplo: agua turbia de un charco Se utiliza un filtro que puede se de papel, arena, algodón polvo de carbón, telas especiales, lana de vidrio, porcelana, amianto , etc.

El objetivo es retener que retienen las partículas sólidas cuyo diámetro supere el tamaño de los poros. La filtración puede hacerse a natural o a presión mediante una bomba de vacío como puede verse en los esquemas.En la fig. 1, se vierte el agua a filtrar con ayuda de una caña o un lápiz, que le permita escurrir gradualmente sobre un embudo provisto de un filtro que deja pasar el agua filtrada, que se recoge en el vaso inferior.Para acelerar el proceso de filtrado se puede aplicar succión, mediante una bomba de vacío conectada al frasco kitasato.c) Centrifugación: Se acelera la precipitación de la parte sólida mediante la acción de unas máquinas que giran a gran velocidad llamados “centrífugas”. Producida la decantación se separan los componentes como en el caso a).d) Tría: Para sistemas heterogéneos de fases sólidas en los que las fases son fácilmente identificables y pueden separarse con una pinza.e) Tamizado: Para sistema de fases sólidas con granos de distinto tamaño. Se usan mallas metálicas o plásticas que, dejan pasar los granos finos y retienen los gruesos.IEPM – Química IV Año – Sistemas Materiales – Pág.: 3/9

f) Flotación: Para mezclas de fases sólidas de distinta densidad, (Eje.: arena/corcho) se agrega un líquido (agua) de densidad intermedia de modo que una fase flota y la otra precipita.

Luego se procede como en el caso a).g) Disolución: Una de las fases sólidas es soluble y la otra no, (Eje.: arena/sal) .Se agrega agua que disuelve la sal, en tanto que la arena precicpita. Luego se hace evaporar el agua y queda la sal depositada en el frasco.h) Levigación: Para mezcla de sólidos distinta densidad (Eje:oro/arena). Se somete a una corriente de agua que arrastra la arena en tanto que el oro precipita.i) Separación magnética: Para sistemas compuestos por hierro y otra fase no magnética, (Eje.: limadura de hierro/arena). Se expone la mezcla a la acción de un imán que atrae la limadura de hierro pero no actúa sobre la arena.Cuestionario: 1) Enuncie dos ejemplos de propiedades intensivas y dos de propiedades extensivas.2) Indique, en los siguientes sistemas, cuales son homogéneos y cuales heterogéneos a) agua destilada f) sal común b) agua y aceite g) varios trozos de hielo c) tinta china h) agua con sal diluida d) agua con hielo e) agua y arena 3) En los sistemas anteriores identificados como heterogéneos, indique las fases.4) Indique como separaría los siguientes sistemas a) agua y sal b) agua y arena c) agua y aceite d) arena y sal 5) Indique cuáles son sustancias puras y cuales son soluciones a) agua b) agua + sal c) agua y tinta d) aire filtrado seco 6) de ejemplos de sistemas heterogéneos formados por a) una fase líquida y una sólida d) dos líquidas b) dos fases sólidas e) dos líquidas y dos sólidas c) dos sólidas y una líquida 7) De dos ejemplos de sistemas homogéneos sólidos, líquidos y gaseosos 8) De la lista de propiedades que se detallan, señalar las extensivas y las intensivas a) Peso c) masa e) volumen g) sabor b) olor d) punto de fusión f) peso específico h) calor de vaporización j) color 9) Si agregamos polvo de carbón (insoluble) a una solución de agua y sal, se pregunta a) el sistema es homogéneo o heterogéneo b) cuántas fases tiene el sistema IEPM – Química IV Año – Sistemas Materiales – Pág.: 4/9

i) superficie

c) qué procedimiento usaría para separar el polvo de carbón, la sal y el agua.

10) En un sistema formado por: 3 trozos de zinc una solución de cloruro de cinc en agua nitrógeno gaseoso identifique: a) ¿cuáles son las fases? b)¿cuáles son los componentes? c)¿cuáles son los constituyentes?

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COMPOSICIÓN PORCENTUAL DE LOS SISTEMAS MATERIALES Recordemos que hemos definido Sistema Material: Es toda porción del Universo que se separa y se aísla para su estudio.Sabemos también que los Sistemas Materiales se clasifican según su composición en: Clasificación de los Sistemas Materiales 1) Sistemas heterogéneos 2) Sistemas homogéneos: A) Soluciones verdaderas B) Sustancias puras: I) Sustancias puras simples II) Sustancias puras compuestas Ya hemos estudiado qué significa cada uno de los términos que figuran en el cuadro anterior y sabemos también cómo podemos separar los Sistemas heterogéneos y las Soluciones verdaderas.Tanto la clasificación como los métodos de separación resuelven cualitativamente el problema. Es decir que todo lo que hemos estudiado hasta ahora nos informa sobre cuáles son los componentes de los Sistemas heterogéneos y de los Sistemas homogéneos, pero nada nos informan sobre la cantidad de cada elemento o sustancia que forma parte de un Sistema Material.Veremos a continuación qué es y cómo se puede determinar la Composición porcentual de un Sistema.Comenzaremos por definir Composición porcentual: Es el porcentaje de la masa de cada una de las fases de un Sistema heterogéneo o el porcentaje de los componentes de una Solución verdadera o el porcentaje de la masa de cada componente de una Sustancia pura compuesta.En otras palabras: Si tenemos un Sistema heterogéneo formado por varias sustancias (ej.: agua/arena/aceite), la composición porcentual nos dice cual es el porcentaje en el que participa el agua, la arena y el aceite en el Sistema considerado.Si, en cambio tenemos una Solución verdadera (eje.: azúcar en agua), la composición porcentual nos dirá cuál es el porcentaje de sal y de agua que forman la solución.Si, finalmente, consideramos una sustancia pura compuesta (eje.: dióxido de carbono - CO2), la composición porcentual nos dará el porcentaje de cada componente de esta combinación química.Metodología para calcular la Composición porcentual Analizaremos la metodología para calcular la Composición porcentual de un Sistema, desarrollando algunos ejemplos: Problema: Composición centesimal de un sistema heterogéneo Calcular la Composición porcentual de un Sistema heterogéneo formado por: 30 g de arena, 40 g de agua y 10 g de limadura de hierro.1er paso: determinación de la masa total del Sistema = 30 g + 40 g + 10 g = 80 g 2º paso: teniendo en cuenta que la composición porcentual significa el porcentaje de participación del componente en el caso de que la masa total del Sistema fuera de 100 g en lugar de 80 g como marca el problema.

Haremos una regla de tres para cada uno de los componentes, razonando de esta forma: Arena: si en 80 g de Sistema ------------------------- hay 30 g de arena en 100 g de Sistema ------------------------ habrá x g de arena 100 g . 30 g x = ---------------- = 37,5 g de arena , es decir: arena = 37,5 % 80 g Agua: si en 80 g de Sistema -------------------------- hay 40 g de agua en 100 g de Sistema ------------------------- habrá x g de agua 100 g x 40 g IEPM – Química IV Año – Sistemas Materiales – Pág.: 6/9

x = ----------------- = 50,0 g de agua, es decir : agua = 50,0 % 80 g Limadura de hierro: si en 80 g de Sistema -------------------------- hay 10 g de limadura en 100 g de Sistema ------------------------ habrá x g de limadura 100 g . 10 g x = ----------------- = 12,5 g de limadura, es decir: limadura = 12,5 % 80 g Respuesta: arena: 37,5 %; agua: 50,0 %; limadura de hierro: 12,5 % Verificación: la suma de los tres porcentajes calculados debe dar 100 % 37,5 % + 50,0 % + 12,5 % = 100 % Problema: composición centesimal de una solución verdadera Calcular la composición porcentual de una solución de 12 g de sal en 80 g de agua 1er paso: determinación de la masa total del sistema: 12 g + 80 g = 92 g 2º paso : cálculo de los porcentajes: 92 g de solución ------------ 12 g de sal 100 g de solución ------------ x g de sal 100 g . 12 g x = --------------- = 13,04 g de sal ; es decir : sal = 13,04 % 92 g 92 g de solución ------------- 80 g de agua 100 g de solución ------------ x g de agua 100 g . 80 g x = ----------------- = 86,95 g de agua, es decir: agua = 86,96 % 92 g Verificación: 13,04 % + 86,96 % = 100 % Respuesta: sal = 13,04 % ; agua = 86,95 % Problema: composición centesimal de una sustancia pura compuesta Calcular la composición porcentual del agua pura (H2O) sabiendo que , en su formación intervienen 16 g de oxígeno (O) y 2 g de hidrógeno (H).1er paso: cálculo de la masa total del sistema: 16 g + 2 g = 18 g 2º paso: cálculo de los porcentajes: 18 g de agua ---------------- 16 g de O 100 g de agua ---------------- x g de O 100 g . 16 g x = --------------- = 88,89 g de O ; es decir : O = 88,89 % 18 g

hoja 7 18 g de agua ---------------- 2 g de H 100 g de agua ---------------- x g de H 100 g . 2 g x = -------------- = 11,11 g de H ; es decir : H = 11,11 % verificación:

88,89 % + 11,11 % = 100 %

Respuesta: oxígeno (O) = 88,89 %; hidrógeno (H) = 11,11 %

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Nota: estamos habituados a ver escrita la fórmula del agua en la forma H2O, sin embargo para algunas aplicaciones se usa la fórmula porcentual, utilizando los porcentajes calculados más arriba.

La fórmula porcentual del agua es: H 11,11 % O 88,89 % Problema: Modificación de la composición centesimal En un frasco tenemos 50 gr de solución agua-sal con la siguiente composición porcentual en peso: 90 % de agua 10 % de sal 1º) Calcular la cantidad en gramos de agua y sal que hay en el frasco agua (xa): si 100 gr de solución ----------------90 gr de agua 50 gr de solución ---------------- x gr de agua 90 gr . 50 gr xa (gr) = --------------------- = 45 gr de agua 100 gr sal (xs):

si 100 gr de solución --------------- 10 gr de sal 50 gr de solución --------------- x gr de sal 10 gr . 50 gr xs (gr) = ------------------- = 5 gr de sal 100 gr Respuesta: en el frasco tenemos: 45 gr de agua y 5 gr de sal 2º) Calcular la nueva composición porcentual de la solución si duplicamos la sal, es decir si agregamos al frasco 5 gr de sal a) Nueva composición en gr agua = 45 gr sal : 5 gr + 5 gr = 10 gr -------Total = 55 gr b) Nueva composición porcentual agua (xa): si 55 gr de solución ------------- 45 gr de agua 100 gr de solución ------------ xa gr de agua 45 gr . 100 gr xa(gr) = ------------------- = 81,82 gr = 81,82 % 55 gr sal (xs) : si 55 gr de solución --------------- 10 gr de sal 100 gr de solución -------------- xs gr de sal 10 gr . 100 gr xs(gr)=---------------- = 18,18 gr = 18,18 % 55 gr ----------------Total = 100,00 % hoja 8 Respuesta: La nueva composición porcentual es agua : 81,82 % sal : 18,18 % 3º) Calcular la cantidad de agua que debemos agregar al frasco para volver a tener la composición porcentual original, es decir agua : 90 % (significa 90 gr de agua cada 100 gr de solución) sal : 10 % (significa 10 gr de sal cada 100 gr de solución) En el frasco tengo agua : 45 gr sal : 10 gr IEPM – Química IV Año – Sistemas Materiales – Pág.: 8/9

Total : 55 gr Para tener la concentración original debo agregar 45 gr de agua, en efecto: agua : 45 gr + 45 gr = 90 gr de agua sal : 10 gr = 10 gr de sal ----------Total = 100 gr de solución en estos 100 gr de solución hay: agua : 90 gr = 90% sal : 10 gr = 10 % ---------Total : = 100 % Respuesta: Para tener una composición % agua/sal de 90% / 10 % debemos agregar al frasco : 45 gr de agua.D) Conociendo la Fórmula mínima del ítem anterior y sabiendo que que la masa molecular de la sustancia es igual a 288, determinar el Factor X y la Fórmula molecular del compuesto Respuesta: Factor X =2 ; Fórmula molecular: C2H10I2

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