Indice.

 

 

Métodos de separación de fases.

 

Sistemas homogéneos.

 

Sustancias simples y sustancias compuestas.

 

Estados de agregación.

Sistemas materiales, clasificación, fase.

 

Cuando se comienza el estudio de una ciencia,  lo primero que es menester fijar es cuál es el objeto que estudia esa ciencia. En el caso particular de la química, diremos que el objeto de estudio es la materia en muchas de sus características y transformaciones.

La Química es una ciencia experimental y por lo tanto el sistema de estudio se basa en la observación de los fenómenos y en la experimentación, sea en la repetición en el laboratorio de los fenómenos observados. Lo primero que debemos fijar, es entonces el concepto de materia.

Diremos de una forma muy general y a 1a vez muy concreta, que  materia es todo aquello que tiene masa, ocupa un lugar en el espacio y que a  su vez es perceptible a través de los sentidos. Por lo tanto, todo lo que cumpla con estas condiciones, será considerado material. Es materia todo que constituye un vaso de vidrio, es decir, el vidrio es materia.  Es materia lo que constituye el aire que respiramos, es materia el agua que bebemos.

 

Ahora bien, cuando se estudian los objetos materiales, frente a la simple observación de esos objetos, puede apreciarse que hay características que los diferencian a unos de los otros y esas características 1as llamaremos propiedades. Distinguiremos fundamentalmente dos tipos de propiedades. Las llamadas propiedades intensivas y las llamadas propiedades extensivas. Se llaman propiedades  intensivas, a aquellas propiedades tales que no dependen  de  la  cantidad  de   que se esté considerando. En tanto que, llamaremos propiedades  extensivas, a aquellas propiedades que si dependen  de  la  cantidad  de  materia  que se esté  considerando. Ejemplos de propiedades extensivas son el peso, el volumen, ya que ambas dependen de la cantidad de materia que se esté estudiando en ese momento.                                                                                   

Un ejemplo de  propiedades intensivas,  sería la densidad.  Este es el ejemplo típico que vamos a considerar.  Si nosotros tomamos un gramo de agua y medimos el volumen que ocupa, veremos que es un centímetro cúbico. Si tomamos 2 gramos de agua, veremos que el volumen que ocupan es  de 2 centímetros cúbicos.  Si tomamos un kilogramo de agua, veremos que el  volumen que ocupa es de 1000 centímetros cúbicos.

 Si nosotros queremos ahora determinar la densidad de la materia que estamos estudiando, deberemos hacer la relación, o sea el cociente, entre la masa y el volumen, puesto que esto es por definición,  la densidad.

d= m / v

 

Vemos que haciéndolos respectivos cocientes, obtenemos siempre un mismo valor que es 1g/ cm^3

 

1g/ 1 cm^3 = 1g/ cm^3

 

2g/ 2 cm^3 = 1g / cm^3

 

1000 g / 1000 cm^3 = 1g/ cm^3

 

O sea, el valor de la densidad no depende de la cantidad de materia que se esté estudiando. En función de los distintos valores que  presenten las propiedades intensivas en 1as distintas muestras que se estén estudiando, haremos una clasificación de la materia; es decir estableceremos que existen  distintas clases  de  materia. Esas distintas clases de materia, las llamaremos sustancias. Surge así el concepto de sistema material. Llamaremos sistema material a una porción de materia que se aísla para su estudio, puede suceder que al estudiar las propiedades intensivas en los distintos puntos de un sistema, esas propiedades permanezcan constantes. Es decir, puede suceder que un sistema material presente las mismas propiedades intensivas en todos sus puntos. Este tipo de sistema recibe el nombre de sistema homogéneo.            

Por el contrario, puede suceder que al estudiar las propiedades intensivas en los distintos puntos de un sistema, estas propiedades vayan variando, es decir vayan teniendo distinto valor para una misma propiedad intensiva. Decimos que este sistema presenta distintas propiedades en distintos puntos del sistema y lo llamamos sistemas heterogéneos.

Dentro de un sistema heterogéneo podremos encontrar siempre un conjunto de partes que presentan las mismas propiedades intensivas. Llamamos fase al conjunto de partes de un sistema que presenta las mismas propiedades intensivas.

Por lo tanto, diremos que un sistema heterogéneo está formado por lo menos por dos fases. O sea los sistemas heterogéneos serán bifásicos, trifásicos o polifásicos en general.

Para clasificar un sistema como heterogéneo se aplican los criterios de heterogeneidad, siendo necesario puntualizar el método que se ha aplicado para llegar a esa conclusión. Así diremos que un sistema es heterogéneo si observamos en él, por ejemplo partículas de diferente color, como sucede al mezclar en un vidrio de reloj partículas de azúcar y partículas de azufre.

Puede suceder, que un sistema sea homogéneo a simple vista, mezcla de polvo de talco y polvo de carbón que presenta un aspecto gris, pero que al ser observado al microscopio acuse la heterogeneidad.

Frente a un sistema heterogéneo, el primer paso a seguir es separar las fases que lo constituyen para luego estudiarlas por separado, es decir, se desdobla el sistema heterogéneo en tantos sistemas homogéneos como fases lo constituyen.

En un sistema heterogéneo bifásico pueden distinguirse las dos fases, llamando a una de ellas medio o fase dispersante y a la otra medio o fase dispersa. En general diremos que la fase dispersante es la que se aprecia mayor proporción o en su defecto que presenta un aspecto continuo.

Para sintetizar el problema, construiremos un cuadro de clasificación de sistemas heterogéneos bifásicos. En él se hacen constar los estados de agregación de la fase dispersante y de la fase dispersa.

Métodos de separación de fases.

 

El estudio de los métodos de separación de fases, se limitara a considerar los más comunes por su uso en los laboratorios.

A, para el caso de separar fases solidas entre sí, mencionaremos:

Separación magnética, se aplica cuando una de las fases está constituida por partículas que puedan ser atraídas por un imán, por ejemplo, las limaduras de hierro y arena.

 

Tamización, se aplica cuando una de las fases está constituida por partículas que son mayores que las que constituyen las demás fases. Se coloca el sistema heterogéneo en el tamiz y la fase cuyas partículas son mayores que la red del tamiz, queda retenida en él.

 

Disolución fraccionada, se aplica cuando una de las fases es soluble en un determinado solvente y la otra no. Por ejemplo, trozos de azúcar y polvo de vidrio. Se trata con agua la cual disuelve el azúcar y el vidrio no. Se constituye así un sistema formado por una fase liquida y una fase sólida.

 

B, para separar una fase solida de una fase liquida, mencionaremos:

Decantación, es el proceso que consiste en transvasar de un recipiente a otro, la fase liquida. Si se requiere separar arena de agua, se deja reposar el sistema de modo tal que se produzca una sedimentación, o sea un ordenamiento natural de las fases dentro del sistema. Este ordenamiento es debido a la diferencia de las densidades de las distintas fases.

Decimos en este caso que la arena sedimenta en el fondo del recipiente. Luego se vuelca o sea se decanta el líquido que sobrenada. Es evidente que la separación de ambas fases no será perfecta; la arena quedara con parte de agua y quizás el agua arrastre parte de la arena.

 

Filtración, es un procedimiento más perfecto para separar fases solidas de fases liquidas. En el laboratorio se utilizan embudos de vidrio o de plástico que son conos con un vástago inferior. En ellos se adapta un papel poroso que permite el paso de los líquidos.

 

 

 

La fase solida queda retenida en el papel de filtro. La filtración suele acelerarse por succión en filtros llamados de Buchner que se adaptan a kitasatos los cuales se conectan a bombas de vacío. El embudo de Buchner es de porcelana y sobre el fondo perforado se coloca un círculo de papel de filtro.

 

 

 

Centrifugación, se aplica para acelerar el proceso de sedimentación de la fase sólida. Cuando esta, está formada por partículas muy finas, la centrifugación las compacta en el fondo del tubo de centrifugación y la decantación de la fase liquida es perfecta y no arrastra partículas sólidas.

 

C, para la separación de dos fases liquidas mencionaremos:

 

Decantación, proceso ya definido anteriormente y que siempre va precedido por la sedimentación. Para el caso de fases liquidas se utilizan las llamadas ampollas de decantación. Las hay de diversas formas, pero todas son recipientes cerrados en la parte inferior con una llave, que al girar permite el descenso de los líquidos por el vástago inferior. En el momento en que la superficie de separación de ambas fases llega al orificio de la llave, esta se cierra conservando una fase en la ampolla, tener en cuenta que en el momento de decantar, el tapón de la ampolla debe ser retirado.

 

Ejemplo de marcha de separación de fases.

 

Sea un sistema constituido por mármol pulverizado y sal común en trozos. Para separar las fases solidas aplicaremos tamización solamente si todas las partículas que constituyen una fase, son de mayor tamaño que cualquier partícula que constituye la otra fase.

Si esto no se cumple, puede ensayarse la disolución fraccionada. En nuestro caso, suponemos que la tamización no es posible y recurrimos a la disolución fraccionada. Debemos llegara obtener las fases aisladas y en las condiciones en que se encuentran en el sistema original; es decir: sólidas y secas.

El esquema de la marcha a seguir, será el siguiente,

 

 

 

Sistemas homogéneos.

 

Recordemos que se llaman sistemas homogéneos, aquellos que presentan las mismas propiedades intensivas en todos los puntos del sistema.

Son por lo tanto sistemas monofásicos.

Frente a sistemas de este tipo caben dos posibilidades: 1, que el sistema esté formado por una sola clase de materia, es decir por una sola sustancia; 2, que el sistema esté formado por dos o más sustancias coexistentes en una misma fase. Es decir que puede clasificarse los sistemas homogéneos en 1, sustancia pura, 2, soluciones.

El estudio de los sistemas homogéneos conduce a poder ubicar el sistema en cuestión dentro de algunas de estas clases. Para esto se aplican los llamados criterios de pureza. Si un sistema se puede fraccionar en dos o más sistemas, cuyas propiedades intensivas son diferentes, diremos que el sistema en estudio es una solución.

Si el sistema no puede fraccionarse por ningún método físico, diremos que se trata de una sustancia pura.

Supongamos como ejemplo que se tiene en estudio un sistema homogéneo líquido, procederemos de la siguiente forma, se coloca el sistema en un balón de destilación a cuya tubuladora lateral se adapte un refrigerante.

 Se calienta el balón y el sistema desprende vapores que se licuan al pasar por el refrigerante, recogiéndose en el extremo otra vez porciones liquidas. A intervalos de tiempo arbitrarios se cambian los recipientes en los cuales se está recogiendo el destilado. Se nombran estas porciones como V1, V2, V3. Al suspender el calentamiento queda en el balón de destilación un residuo al que llamamos R.

Se determinan las propiedades intensivas de V1, V2, V3 y R. Si el valor de las propiedades intensivas  que se estudia es igual para todas las porciones destiladas y para el residuo, se dice que el sistema no se ha fraccionado y por lo tanto se clasifica como sustancia pura.

Si por el contrario, V, V2 ,V3, y R representan distintos valores para una misma propiedad intensiva, diremos que el sistema en estudio era una solución.

Por ejemplo:

1, si se coloca en el balón una mezcla de acetona y agua, podemos obtener 2 fracciones de distinta densidad y la destilación podrá continuarse sin dejar residuos. La mezcla de acetona y agua es una solución.

2, si se colca en un balón agua con azúcar y se procede a destilar, se obtendrá por destilación una sola fracción porque todo lo que  destila posee las mismas propiedades intensivas, es agua. Pero el residuo que queda en el balón tiene distintas propiedades intensivas que el destilado. O sea que el sistema original se ha fraccionado y por lo tanto se clasifica como una solución.

 

Las sustancias puras pueden a su vez clasificarse en sustancias en sustancias simples y sustancias compuestas. Se llaman sustancia simple aquella que no puede desdoblarse en otras sometiéndola a procesos químicos. Desde el punto de vista de su constitución, diremos que una sustancia simple es aquella que posee moléculas formadas por átomos iguales. Por ejemplo, el oxígeno, el hidrogeno, el cloro, cuyas formulas moleculares son: O2; H2; Cl2. Es decir, las moléculas de las sustancias citadas están formadas en estos casos por dos átomos idénticos entre sí.

Una sustancia compuesta es aquella que puede dar origen a dos o más sustancias. Por ejemplo el agua que puede descomponerse en hidrogeno y oxígeno. Desde el punto de vista de su constitución diremos que una sustancia compuesta es aquella que posee moléculas formadas por átomos diferentes entre sí.

Ejemplos de sustancias compuestas.

 

Sustancia

Formula

Agua

H2O

Amoniaco

NH3

Ácido sulfúrico

SO4H2

Hidróxido de sodio 

NaOH

Cloruro de sodio

ClNa

 

 

Estados de agregación.

 

Toda sustancia pura simple o compuesta, puede encontrarse en tres estados de agregación que son: estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. Cada uno de estos tres estadostiene características físicas que permiten definirlos.

De un modo muy general diremos que:

Sólido, es todo cuerpo que posee forma y volumen propio.

Líquido, es todo cuerpo que posee volumen propio pero la forma del recipiente que lo contiene.

Gas, es todo cuerpo que posee la forma y el volumen del recipiente que lo contiene.

Podemos profundizar el estudio de las características de los estados de agregación teniendo en cuenta la teoría cinético-molecular. Toda teoría está constituida por una serie de hipótesis, que explican hechos experimentales en función de suposiciones teóricas. Los principios básicos de la teoría cinético-molecular son las siguientes:

La materia está compuesta por partículas discretas, extraordinariamente pequeñas llamadas moléculas.

Estas moléculas están dotadas de energía cinética y por lo tanto poseen movimiento.

La energía cinética de las moléculas, depende exclusivamente de la temperatura, de modo tal, que cuanto mayor es la temperatura de un sistema, mayor es la energía cinética de las moléculas que lo constituyen.

Las moléculas, están dotadas de campos de fuerza, que hacen que cada una de ellas ejerza una atracción, sobre cada una de las restantes. Esa fuerza de atracción de atracción, que tiende a  aproximar unas moléculas a las otras, recibe el nombre de cohesión. Por otro lado, debido a los choques que se producen entre moléculas como consecuencia de su movimiento, se manifiesta una fuerza contraria a la cohesión que es la repulsión. Analicemos entonces las características de los estados de agregación a la luz de la teoría cinético-molecular. 

 

 

 

 

Eduardo Ghershman, 25.5.2013

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