Mezclas y sustancias puras: compuestos y elementos

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Para que conozcas más de que están hechos los materiales te recomendamos de tu Biblioteca de Aula la obra de: García, Horacio. (2002). La naturaleza discontinua de la materia. México: sep-Santillana.

¿De qué están hechos los materiales? ¿Hay materiales más complejos que otros? ¿Cómo reconocerlos?

En nuestra experiencia cotidiana, con frecuencia, nos encontramos con materiales que podemos reconocer con facilidad son el resultado de la mezcla de otros: todos podemos diferenciar que el agua de limón es el resultado de la mezcla de agua, azúcar y limón. De esta forma, en ocasiones, podemos distinguir intuitivamente muchos materiales complejos (formados a partir de la mezcla de varios materiales) de los más sencillos, sin embargo, en el caso de sustancias como la gasolina, el agua o el alcohol, esto no resulta tan evidente. ¿Cómo clasificar estos materiales?, ¿de qué están hechos?, ¿hay materiales más complejos que otros?

Es claro que, en términos de su composición, una mezcla siempre es más compleja que sus componentes.

Cuando se aplican de manera eficaz uno o varios métodos de separación, como los que estudiaste en el bloque anterior, una mezcla puede separarse, con frecuencia, en las sustancias que la constituyen, pero ¿qué es una sustancia? En química, definimos a una sustancia como aquel material que tiene una composición y propiedades físicas y químicas definidas e invariantes.

Cuando realizaste la actividad de la página 34 habrás notado que las propiedades de las distintas disoluciones de agua con sal eran parecidas, pero no iguales. Al destilar cuidadosamente cualquiera de estas disoluciones (o cualquier otra disolución acuosa) obtenemos un líquido incoloro, inodoro, cuyo punto de ebullición es de 100 °C (a nivel del mar) y cuya densidad (a 25 °C) es de 0.997 g/cm3, es decir, se obtiene una sustancia a la que llamamos agua (H2O). ¿Es lo mismo “sustancia” que “sustancia pura”? Como vimos en el bloque anterior, las “sustancias puras” no existen, pues todas las sustancias contienen impurezas, incluso lo que conocemos como “oro puro” (Au) contiene pequeñas cantidades de otros metales, como plata (Ag) o cobre (Cu).

Cuando una sustancia contiene una diminuta cantidad de impurezas, decimos que es una sustancia con un alto grado de pureza, pero no es “pura”.

A lo largo del presente texto, cuando usemos la palabra “sustancias”, nos referimos a lo que comúnmente (aunque de forma incorrecta) se conoce como “sustancias puras”.

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Te sugerimos que leas la unidad didáctica de sustancias puras y mezclas, del proyecto Newton para que profundices en este tema. Puedes descargarlo en la siguiente dirección electrónica: http://recursostic.educacion.es/newton/web/ materiales_didacticos/sustancias_puras_y_mezclas/ aulasustanciaspurasymezclas.pdf

Comunica tus avances en ciencias

Reconoce la representación de una mezcla. 1. En las siguientes imágenes identifica las que representen mezclas y las que constituyan sustancias puras.

2. En equipos de tres integrantes, comparen sus respuestas y discutan acerca del criterio que usaron para diferenciar las imágenes que consideraron que representan una sustancia y una mezcla.

Como veremos más adelante, el establecimiento de criterios nos permitirá clasificar la materia en mezclas y sustancias puras.

Es claro que al destilar una disolución acuosa (una mezcla), podemos obtener esa sustancia familiar a la que llamamos agua. ¿Qué pasaría si aplicamos algún otro método de separación al agua obtenida? ¿Obtendríamos algo distinto? La respuesta es: no. De hecho, una de las principales características de una sustancia es que ésta no puede ser separada en algo más sencillo usando métodos físicos de separación, entonces, ¿de qué están hechas las sustancias?

Fueron los químicos de los siglos xviii y xix quienes, a partir de pruebas experimentales (llamadas análisis químicos), reconocieron que todas las sustancias podían clasificarse, de acuerdo con su composición, en dos grupos: • Sustancias simples o elementales (como el carbón y el azufre o el oro) • Sustancias compuestas (como el agua y el azúcar)

Por medio de reacciones o transformaciones químicas, las sustancias compuestas (a las que de manera frecuente se les llama compuestos) pueden ser transformadas en dos o más sustancias simples o elementales, mientras que las sustancias simples o elementales no pueden ser descompuestas en sustancias más sencillas (figura 1).

El carbón es una sustancia elemental formada por tan sólo un elemento químico: el carbono (C). Todas las sustancias elementales están formadas por un solo elemento químico, mientras que las sustancias compuestas están formadas por dos o más elementos químicos.

Cabe mencionar que, de manera general, a las sustancias simples se les llama elementos, lo cual es inadecuado, puesto que el nombre correcto es sustancia elemental. La diferencia entre elemento y sustancia elemental será estudiada más adelante.

FIGURA 1. ¿Cuál de estas sustancias es más sencilla? La sencillez o complejidad de una sustancia no es una cualidad que pueda reconocerse fácilmente, para evaluarla es necesario llevar a cabo procedimientos conocidos como “análisis químicos”, los cuales nos permiten conocer la composición de una sustancia.

Experimenta

Diferencia una sustancia elemental de una compuesta, a partir de la electrólisis del agua.

A continuación efectuarán una electrólisis, que es una transformación química que ocurre cuando las sustancias interaccionan con la corriente eléctrica.

1. Reúnanse en equipos de tres personas y consigan el siguiente material:

• Dos vasos desechables de plástico, de 250 ml • Dos trozos de grafito de aproximadamente 3 cm (los pueden obtener del interior de un lápiz) • Un pedacito de plastilina • Una pila de 9 V (cuadrada) en buen estado • Dos alambres aislados (de preferencia con caimanes en sus puntas) • Dos juegos de caimanes • Un vaso de precipitados • Dos tubos de ensaye • Unas tijeras • 200 ml de agua (H2O) • 5 g de sulfato de sodio (Na2SO4)

2. Experimenten: a. Necesitan dos trozos de grafito de aproximadamente 3 cm de largo cada uno. Sigan las instrucciones de su profesor para obtener el grafito, de manera que lo hagan de la forma más segura y en la que gasten la menor cantidad de lápices posible. b. En la base de uno de los vasos hagan dos pequeños agujeros separados por 3 cm, lo suficientemente anchos para que el grafito pase a través de ellos.

c. Introduzcan los trozos de grafito a través de los agujeros, de forma que el grafito quede a la mitad. Aseguren el grafito usando plastilina en ambos lados del vaso, pero usen la menor cantidad posible. Es importante que las puntas de cada grafito queden libres en ambos lados del vaso. d. Agreguen agua hasta la mitad del vaso sólo para asegurarse de que no hay fugas de líquido. No deben comenzar el experimento si hay fugas; si no las hay, retiren el agua y continúen. Éste es el vaso de electrólisis. e. Para hacer una base para el vaso de electrólisis, midan 3 cm desde la base del otro vaso y recórtenla, así como una pequeña muesca de 2 cm de ancho, como se ilustra en la figura. Introduzcan el vaso de electrólisis como se ve en la figura siguiente.

f. Conecten cada cable a una de las terminales de grafito.

Si tienen caimanes, úsenlos, pues son de mucha utilidad; pero si no cuentan con ellos, sólo enreden el cable alrededor del grafito. Vuelvan a revisar que no haya fugas de líquido en el vaso de electrólisis.

g. Coloquen 200 ml de agua (H2O) en el vaso de precipitados y disuelvan el sulfato de sodio (Na2SO4).

h. Agreguen la disolución de sulfato de sodio a dos tubos de ensayo, casi hasta el borde de cada tubo, poco antes de que se derrame el líquido. Viertan el resto de la disolución de sulfato en el vaso de electrólisis.

i. Tapen los tubos con el dedo pulgar. Con cuidado y sin dejar entrar aire, inviertan los tubos y coloquen cada uno sobre una terminal de grafito. Si lo hacen con cuidado, el grafito debe quedar por dentro del tubo y no debe haber casi nada de aire en él (una pequeña burbuja no interferirá). Anoten cada uno, por separado, lo que esperan que suceda al hacer pasar la electricidad en el sistema. j. Una vez que estén listos, conecten la otra punta de cada uno de los alambres a las terminales de la batería. Observen y anoten lo que sucede, junto con una explicación. 3. Analicen en equipo sus resultados. Comparen sus predicciones y explicaciones a partir de las siguientes preguntas: • ¿Qué observan dentro de los tubos? • Cada uno de los tubos contiene un gas diferente, uno de ellos es hidrógeno (H2) y el otro oxígeno (O2), ¿qué similitudes observan entre las propiedades de las sustancias elementales (los gases) y la sustancia compuesta de la cual se obtuvieron (el agua)?, ¿las propiedades físicas cambian de manera observable?, ¿qué esperan de las propiedades químicas de las sustancias elementales: serán semejantes a las de la sustancia compuesta? • Si permiten que la reacción continúe por un tiempo, observarán que los volúmenes en ambos tubos son distintos; si la fórmula del agua es H2O, ¿en cuál tubo creen que esté contenido el gas hidrógeno?, ¿en qué se basaron para dar su respuesta? • ¿Cómo pueden saber que las sustancias gaseosas obtenidas por electrólisis son más sencillas que el agua? 4. Generalizando, ¿podrían decir si hay alguna relación entre las propiedades físicas y químicas de las sustancias elementales y las propiedades de las sustancias compuestas de las que se obtuvieron éstas?

5. Comuniquen sus resultados al resto de los equipos y discútanlos en grupo, bajo la dirección de su maestro. 6. Concluyan, anoten en su cuaderno los acuerdos del grupo.

Una de las preguntas del cuestionario anterior, aunque no lo parece, es realmente difícil de responder: ¿cómo reconocer cuando una sustancia es simple o compuesta? Hoy en día, es mucho más fácil responderla; muchos laboratorios cuentan con tecnología que está diseñada para analizar la composición de sustancias desconocidas (figura 2), sin embargo, los antiguos químicos no contaban con esta tecnología; únicamente podían saberlo estudiando cómo se transformaba la materia.

Para poder determinar cuáles elementos químicos están contenidos en las sustancias, es necesario llevar a cabo transformaciones químicas que permitan identificarlos.

Recapitulando: para estudiar la composición de los materiales, los métodos de separación nos permiten separar las sustancias que dan origen a una mezcla, pero para poder conocer la composición de una sustancia (los elementos químicos de la que está constituida), requerimos de las transformaciones químicas.

FIGURA 2. En la actualidad existen equipos automatizados que permiten determinar la composición de una sustancia.

Elabora modelos

Representación de la materia usando modelos.

1. Observa las siguientes figuras y contesta lo que se te pide. • ¿Qué imagen representa una mezcla de sustancias? • ¿Qué flechas representan los métodos físicos de separación? • ¿Qué flechas representan transformaciones químicas? • ¿Qué figuras representan sustancias compuestas? • ¿Qué figuras representan sustancias elementales?

2. Explica a un compañero qué criterio utilizaste para diferenciar mezclas, sustancias compuestas y sustancias elementales. Luego, compartan sus criterios con el resto del grupo y su maestro.

Sé incluyente

Recuerda integrar a compañeros con discapacidad.

Te sugerimos que visites la siguiente dirección electrónica, donde podrás realizar una actividad para diferenciar entre mezcla y sustancias elementales:

www.ambientech.org/ activitats/materiales/ unidades-didacticas-5/ las-sustancias-puras-y-lasmezclas/mat4_madre.swf

En la naturaleza existen algunos elementos químicos como el oxígeno (O), el carbono (C) y el oro (Au), que se pueden encontrar como sustancias elementales, es decir, sin combinarse con otros elementos. Sin embargo, a la gran mayoría de los elementos químicos, como el hidrógeno (H), el cloro (Cl) y el sodio (Na), siempre los encontramos en la naturaleza combinados con otros elementos, es decir, como sustancias compuestas. ¿Conoces una sustancia conocida como diamante? ¿Y qué tal al grafito? Al igual que el carbón, el grafito y el diamante son también sustancias elementales, puesto que están constituidas por un solo elemento, el carbono (C). Aunque parece un trabalenguas, no es lo mismo carbón que carbono, ya que carbón es la sustancia elemental con la que podemos preparar carne asada, mientras que carbono es el elemento químico del que está hecho el carbón. No significa lo mismo sustancia elemental que elemento.

El carbón, el grafito y el diamante son alótropos o formas alotrópicas del carbono, es decir, sustancias elementales que están compuestas de un único elemento químico: el carbono (figura 3). A pesar de ello, sus propiedades físicas y químicas son muy distintas; mientras que la combustión del carbón ocurre con relativa facilidad, para poder lograr que el grafito o el diamante reaccionen con el oxígeno atmosférico se requiere una temperatura muy elevada (mayor a 1000 °C).

El elemento oxígeno (O) también presenta alótropos, quizá los conozcas. Lo que comúnmente llamamos oxígeno atmosférico, (O2) y el ozono (O3), son dos alótropos del elemento oxígeno; ambas son sustancias gaseosas muy distintas entre sí, pues mientras que el oxígeno atmosférico es indispensable para todos los organismos aeróbicos, el ozono es perjudicial para todos los seres vivos, aunque su presencia en las capas altas de la atmósfera terrestre es necesaria para protegernos de la radiación ultravioleta que proviene del Sol. ¿Por qué el grafito es tan diferente del diamante, si ambos están compuestos por 100% de carbono? ¿Por qué el oxígeno atmosférico es tan distinto del ozono, si ambos son 100% oxígeno? Es claro, entonces, que las propiedades de las sustancias no dependen únicamente de su composición, es decir, de lo que están hechas, sino que también necesitamos conocer cómo están construidos esos materiales, esto es, determinar lo que los químicos denominan su estructura. Usando el mismo tipo de modelo de la última actividad podemos representar a los alótropos de un elemento, como se muestra en la figura 4. Este tema lo volveremos a abordar con un poco más de profundidad más adelante en nuestro curso.

Dada la gran diversidad de materiales que podemos apreciar en el mundo que nos rodea, probablemente te imagines que la cantidad de elementos químicos es muy extensa. Quizá te sorprenda saber que en la Comunica tus avances en ciencias naturaleza sólo existen 91 elementos químicos y que son las diversas combinaciones de éstos las que dan origen a la pluralidad de materiales que hay en el Universo conocido.

También es interesante saber que, a pesar de que en la naturaleza existen tan sólo alrededor de 91 elementos químicos, el ser humano ya aprendió a “fabricar” algunos elementos que no pueden obtenerse fácilmente o que no existen en la naturaleza. Quizá alguno

a b c

FIGURA 3. A las diferentes sustancias (elementales) que están formadas del mismo elemento químico se les da el nombre de alótropos. El carbón (a), el grafito (b) y el diamante (c), son tres diferentes alótropos del mismo elemento: carbono. FIGURA 4. A pesar de que ambos bloques están construidos usando sólo un tipo de ladrillo, el resultado del ensamblaje es distinto; esto es muy similar a lo que ocurre con los alótropos, pues a pesar de que están hechos del mismo elemento, las sustancias elementales que resultan tienen propiedades muy distintas.

Describe los criterios para clasificar materiales cotidianos en mezclas, compuestos y elementos. 1. Consigue diversos materiales de tu casa o escuela. 2. Escribe en tu cuaderno o tu blog una lista con los criterios que debe cumplir un material para ser considerado una mezcla, un compuesto o un elemento. 3. Tomando en consideración estos criterios, clasifica el material que conseguiste. 4. Compara tu clasificación con la de alguno de tus compañeros y contrasten los criterios que emplearon. ¿Son iguales?

FIGURA 5. Algunas sustancias elementales y los símbolos de los elementos que contienen. de éstos, como el plutonio, te resulte conocido, pues es famoso porque se utiliza para fabricar armamentos llamados “nucleares”.

En el lenguaje de la química, como lo habrás notado a lo largo del texto, a los elementos químicos se les suele representar con letras, las que frecuentemente podemos asociar con el nombre del elemento, por ejemplo, C: carbono, O: oxígeno, H: hidrógeno. Hay algunos elementos cuyo símbolo está asociado con su nombre en latín, por ejemplo, Na: sodio, que se deriva del latín Natrium; lo mismo que Fe: hierro, que proviene del latín Ferrum (figura 5).

No todos los elementos químicos los encontramos en la naturaleza en la misma cantidad. En la corteza terrestre el elemento más abundante es el oxígeno, el cual forma parte de casi todas las rocas, mientras que entre los elementos menos abundantes están el oro (Au), cuyo símbolo viene del latín Aurum) y el platino (Pt).

Fe Hierro

Br Bromo

Hg Mercurio

S Azufre

Elabora modelos

Representa mezclas, elementos y compuestos con base en el modelo corpuscular.

1. Retoma y repasa tus apuntes sobre el modelo corpuscular que estudiaste en tu curso de

Ciencias II (Física). 2. Considerando el modelo corpuscular, elabora una representación de una mezcla, elemento y compuesto con base en este modelo. Puedes usar cualquier material, por ejemplo, pequeñas bolas de unicel o plastilina. 3. Compara tu representación con la de tus compañeros y coméntenlas. Te sugerimos que visites la siguiente dirección electrónica para que repases el modelo corpuscular: intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Cinetico-corpuscular/ Modelo_cinetico_cospuscular.pdf

Autoevaluación Al completar esta tabla sabrás si lograste dominar los aprendizajes señalados. Rellena el cuadro que corresponda a tu propia evaluación y comenta, en la última columna, la tarea necesaria para que logres el aprendizaje; comparte la tabla con tus compañeros y tu maestro.

INDICADOR DEL LOGRO

LO SÉ

(Tengo el conocimiento)

LO SÉ HACER

(Desarrollé las habilidades para representar y seguir procedimientos)

VALORO EL APRENDIZAJE COMENTARIOS

Sí Aún no Sí Aún no Sí No ¿Cómo lo lograré?

¿Estableces criterios para clasificar materiales cotidianos en mezclas, compuestos y elementos considerando su composición y pureza?

¿Representas y diferencias mezclas, compuestos y elementos, con base en el modelo corpuscular?

Evalúo mi avance

1. Con tus propias palabras, cómo le explicarías a un amigo (que, a diferencia de ti, no haya estudiado química): • ¿Qué es una mezcla? • ¿Qué es una sustancia compuesta? • ¿Qué es una sustancia elemental? 2. ¿Las propiedades de una mezcla son iguales a las de sus componentes? Menciona algunos ejemplos que apoyen tu respuesta. 3. ¿Qué es un disolvente y cuál es su diferencia con el soluto? 4. ¿Las propiedades de una mezcla pueden modificarse? ¿De qué dependen? 5. ¿Las propiedades de una sustancia son constantes? ¿Cómo podrías corroborarlo? 6. ¿Es lo mismo “elemento” que “sustancia elemental”? Explica y ofrece ejemplos. 7. ¿A qué nos referimos con “composición de una sustancia”? 8. Cuando la gente se refiere al “agua pura”, ¿crees que, desde el punto de vista de la química, es correcto usar este término? ¿El agua que consumimos, debe ser calificada como pura o como potable? ¿Cuál es la diferencia? ¿Es de utilidad distinguirla? 9. ¿Qué opinas de la siguiente frase, que con frecuencia aparece impresa en los envases de leche: “Leche pura de vaca”?, ¿qué es lo que realmente quiere decir el fabricante que envasó este producto? 10. Si una persona exclamara lo siguiente:

“¡Esos científicos y su ozono ya me tienen hasta el copete! Por su culpa mi coche no circula, además, ¡el ozono es oxígeno!, ¿o qué no? ¡Y yo sé que todos los seres vivos necesitamos oxígeno!”.

a. ¿Qué le explicarías a esa persona? b. ¿Consideras que es importante saber de la existencia de alótropos?, ¿este conocimiento te ayudaría a valorar mejor la información en relación con los riesgos ambientales del ozono en las capas bajas de la atmósfera?, ¿porqué? 11. Retoma nuevamente las respuestas de la sección “Explora” y complétalas con lo que ahora ya sabes.