Química I - Sistemas Materiales

SISTEMAS MATERIALES

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 en el laboratorio de los fenómenos observados.

Lo primero que debemos definir es el concepto de materia.

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 llamado materia.

Es materia lo que constituye un vaso de vidrio, es decir, el vidrio es materia. Así también lo que constituye el aire que respiramos y es materia el agua que bebemos.

Cuando se estudias objetos materiales, puede apreciarse que hay características que los diferencian a unos con otros y esas características las llamaremos "Propiedades de la Materia" y existen de dos tipos:

Propiedades Extensivas: son aquellas propiedades que dependen de la cantidad de materia, como lo es la Fuerza Peso (Newton, Dinas, Kilogramo fuerza, Libra fuerza), el Volumen (Litros, Metro Cúbico, Decímetros Cúbicos, Centímetros Cúbicos, Milímetros Cúbicos).

Propiedades Intensivas: son aquellas propiedades tales que dependen de la cantidad de materia que se esté considerando. Un ejemplo de ellas es la "densidad". Si tomamos un gramo de agua y medimos el volumen que ocupa, veremos que el volumen es de 2 centímetros cúbicos. Si tomamos 1 Kg de agua, veremos que el volumen que ocupa es de 1.000 centímetros cúbicos. Con estos datos podemos determinar la densidad de la materia que estamos estudiando y la relación seria el cociente entre la masa y el volumen.

El valor de la densidad no depende de la cantidad de materia.

En función de los distintos valores que presenten las propiedades intensivas en las distintas muestras, haremos una clasificación de la materia, y estableceremos que existen distintas clases de materia. Esas distintas clases de materia son las "Sustancias".

Cuando se quiere analizar o estudiar una determinada sustancia, no se la puede tomar en general, sino que es necesario aislar una porción de esa sustancia o una porción de un conjunto de sustancias. Surge así el concepto de "SISTEMA MATERIAL".

Un sistema material es una porción de materia que se aísla para su estudio. Y al hacerlo se pueden presentar dos casos fundamentales:

Sistemas Homogéneos: una porción de materia que presenta propiedades intensivas constantes, o sea que presenta las mismas propiedades intensivas en todos sus puntos.

Sistemas Heterogéneos: si las propiedades intensivas de una porción de materia varían teniendo distinto valor para una misma propiedad intensiva, decimos que el sistema presenta distintas propiedades en distintos puntos.

Dentro de un sistema heterogéneo podemos encontrar siempre un conjunto de partes que presentaran las mismas propiedades intensivas, por lo que llamaremos "Fase" al conjunto de partes de un sistema que presenta las mismas propiedades intensivas.

Un sistema heterogéneo esta formado por al menos 2 fases (bifásicos, trifásicos, o polifásicos).

Un sistema homogéneo solo posee 1 fase correspondiente a la sustancia propiamente dicha.

Para clasificar un sistema heterogéneo se aplican los "Criterios de Heterogeneidad". Diremos que un sistema es heterogéneo si observamos en él; partículas de diferente color, como sucede al mezclar en un recipiente azúcar y partículas de Azufre.

Puede suceder que a simple vista un sistema parezca ser homogéneo, como lo es la solución de agua azucarada.

Frente a un sistema de estas características, el primer paso a seguir es separar las fases que los constituyen para luego estudiarlas por separado.

METODOS DE SEPARACION DE FASES

El estudio de los métodos de separación de fases, no se hará en forma exhaustiva; sino que nos limitaremos a considerar los mas comunes por su uso en los laboratorios.

Métodos para la separación de fases sólidas:

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

Tamización: se aplica cuando una de las fases está constituida por particulas que son mayores que las que constituyen las demás fases.

Disolución Fraccionada: se aplica cuando una de las fases es soluble en un determinado disolvente  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 solida.

Métodos para la separación de una fase solida y una fase liquida:

Decantación: es el proceso que consiste en transvasar de un recipiente a otro la fase liquida. Si se quiere separar arena de agua, se deja reposar el sistema de modo tal que se produzca una sedimentación. Debido a las diferencias de densidades de las distintas fases, decimos que la arena sedimenta en el fondo del recipiente y luego se vuelca el liquido. Es evidente que la separación de ambas fases no será perfecta; la arena quedará con parte de agua y quizás el agua arrastre un poco de arena.

Filtración: es un procedimiento mas perfecto para separar fases solidas de fases liquidas.

En el laboratorio se utilizan embudos de vidrio o 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 "Buchner" que se adaptan a Kitasatos, los cuales se conectan a bombas de vacío.

El embudo Buchner es de porcelana y sobre su fondo el cual es perforado, se coloca un papel de filtro.

Centrifugación: se aplica para acelerar el proceso de sedimentación de la fase solida. cuando el sistema esta formado por partículas muy finas, la centrifugación las compacta en el fondo del tubo de centrifuga y la decantación de la fase liquida es perfecta y no arrastra partículas solidas.

Métodos para la separación de dos fases liquidas:

Decantación: es el proceso ya definido anteriormente y que siempre va precedido por la sedimentación. Para el caso de fases liquidas se utiliza una "Ampolla de Decantación". Son recipientes cerrados y en la parte inferior tiene 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, ésta se cierra conservando una fase en la ampolla.

EJEMPLO DE MARCHA DE SEPARACION DE FASES

Sea un sistema constituido por mármol pulverizado y sal de mesa.

Para separar las fases solidas aplicaremos una "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 realizarse una disolución fraccionada; a la mescla de fases solidas se las coloca en un recipiente y se le añade agua suficiente para solubilizar toda la sal, luego se procede a la filtración donde el mármol quedara retenido en el papel de filtro (el mármol, así quedará embebido de solución salina por lo que haremos lavados sucesivos para quitar la sal y solo me quedara el polvo de mármol húmedo por lo que lo secamos y así obtendremos el polvo de mármol totalmente seco.

Por otro lado nos queda la solución salina, y procedemos a realizarle una evaporación del agua, colocando dicha mezcla en un vaso cristalizador, el cual lo calentaremos y el agua se irá evaporando hasta que queden solamente cristales solidos de dicha sal.

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METODO DE SEPARACION DE FASE HOMOGENEA

Frente a sistemas de dicho tipo caben dos posibilidades; 1) Que el sistema esté formado por una sola clase de materia (una sola sustancia); 2) Que el sistema este formado por dos o mas sustancias coexistentes en una misma fase (líquidos disueltos entre si, como lo es la mezcla del agua y el alcohol por ejemplo).

Destilación Simple: es el proceso de separación de 2 o mas líquidos miscibles entre si. Cada liquido posee una propiedad intensiva especifica de cada uno de ellos, como lo es su temperatura de ebullición. el primer liquido que extraeremos será el de menor punto de ebullición, evaporándose y separándose del resto por cambiar de estado liquido a gaseoso, cuando este vapor llega al tubo refrigerante se condensa pasandop del estado gaseoso al liquido nuevamente y se recoge dicha sustancia pura en el extremo libre del tubo refrigerante.

Este método no es perfecto como parece, ya que entre la separación de uno y otro liquido mientras la temperatura aumenta se recogerá un liquido llamado "colada" que contiene pequeñas porciones de una sustancia y la siguiente. Es por eso que debemos prestar suma atención al termómetro y registrar las temperaturas, cuando esta se hace constante obtendremos sustancia pura, mientras que si varia la temperatura obtendremos una colada.

Destilación Fraccionada: este método contiene las mismas bases que el anterior, pero con el agregado de una columna de fraccionamiento, donde las coladas que se producen se condensan en los picos de dicha columna regresando así al sistema mientras la temperatura de los vapores alcanza el punto de ebullición del primer liquido a separar.

TIPOS DE SUSTANCIAS

Las sustancias puras pueden clasificarse en sustancias simples y sustancias compuestas.

Sustancia Simple: es aquella que no puede desdoblarse en otras sometiéndolas a procesos químicos. Desde el punto de vista de su constitución, una sustancia simple es aquella que posee moléculas formadas por átomos iguales. Por ejemplo; el Oxigeno, Hidrogeno, Cloro, estas sustancias están formadas por 2 átomos de dicha sustancia. Dicho de otra manera, dos átomos de oxigeno forman una molécula de Oxigeno, y así sucesivamente con los demás ejemplos.

Sustancia compuesta: es aquella que puede dar origen a dos o mas sustancias. Por ejemplo; la molécula del agua, está formada por 2 átomos de Hidrogeno y 1 átomo de Oxigeno.

ESTADOS DE AGREGACION

Toda sustancia pura simple o compuesta, puede encontrarse en tres estados de agregación:

Estado Solido - Estado Liquido - Estado Gaseoso

Cada uno de estos tres estados tiene características físicas que permiten definirlos:

Solido: es todo cuerpo que posee forma y volumen propio.

Liquido: es todo cuerpo que posee volumen propio pero la forma del recipiente que lo contiene.

Gaseoso: es todo cuerpo que posee forma y volumen que lo contiene.

Podemos profundizar el estudio de las características de los estados de agregación teniendo en cuenta la teoría cinético-molecular.

Toda teoría esta constituida por una serie de hipótesis, que explican hechos experimentales en función de suposiciones teóricas.

Los principios básicos de dicha teoría son:

1.  La materia está compuesta por partículas discretas, extraordinariamente pequeñas: Moléculas.
2.  Estas moléculas están dotadas de energía cinética y por lo tanto poseen movimiento.
3.  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.
4. Las moléculas, están dotadas de campos de fuerza, que hacen que cada una de ellas ejerza atracción, sobre cada una de las restantes. Esa fuerza de atracción, que tiene a aproximar unas moléculas a las otras, reciben el nombre de "Cohesión". Por otro lado, debido a los choques que se producen entre ellas como consecuencia del movimiento, se mantiene una fuerza contraria que es la "Repulsión".

TEORIA CINETICO-MOLECULAR DE UN SOLIDO

Es estado solido es el que se caracteriza por una mayor fuerza de atraccion entre sus moleculas.

Es un estado en el cual la fuerza de Cohesion, es mayor que la fuerza de Repulsion. Los espacios intermoleculares son minimos.

Cada molecula posee energia cinetica suficiente como para vibrar alrededor de una posicion en equilibrio; pero, esa energía, no le permite a la molécula desplazarse de esa posición. La libertad del movimiento molecular es muy restringida.

Cada molécula tiene una posición fija en el espacio y por lo tanto no podrá variar ni la forma ni el volumen del cuerpo. Alrededor de esa posición, cada molécula vibra sin cesar.

TEORIA CINETICO-MOLECULAR DE UN LIQUIDO

El estado liquido se caracteriza por el equilibrio que se manifiesta entre la fuerza de cohesión y la fuerza de repulsión. Los espacios intermoleculares son mayores que en el estado solido.

El valor de la energía cinética de las moléculas de un liquido es tal que no permite que una de ellas abandone el campo de atracción de las restantes, pero es lo suficientemente elevada, como para que las moléculas puedan desplazarse. Por eso los líquidos no poseen forma propia y su volumen se adapta a la del recipiente que lo contiene, o sea que la forma del liquido no es la del liquido, sino que se la confiere el recipiente que lo contiene y que impide el desplazamiento de las moléculas, mas alla de las paredes que lo limitan.

TEORIA CINETICO-MOLECULAR DE UN GAS

El estado gaseoso, es aquel en el cual la fuerza de repulsión, supera a la fuerza de cohesión. Los espacios intermoleculares son máximos.

El valor de la energía cinética es tal, que permite a las moléculas del gas, aumentar el espacio intermolecular sin otro limite que el de la pared del recipiente que lo contiene.

Un gas ocupa siempre todo el recipiente en que se lo coloque y por lo tanto, un cuerpo gaseoso no posee forma ni volumen propio

Las propiedades de las sustancias residen en sus moléculas. Por lo  tanto, si un frasco que contenga gas amoniaco, se destapa en un lugar de una habitación, y luego se percibe el olor característico del amoniaco en cualquier parte de dicha habitación, tendremos que decir que las moléculas de amoniaco, han escapado del frasco en virtud de su energía cinética y que el amoniaco, ocupa ahora toda la habitación. Ha aumentado extraordinariamente el espacio intermolecular. Y si queremos eliminar el amoniaco del ambiente, debemos abrir las ventanas y las puertas de la habitación, con lo cual, las moléculas del gas continuaran expandiéndose.

CAMBIOS DE ESTADO

El estado de agregación no es una característica de una sustancia.

Una misma sustancia puede encontrarse en cualquiera de los tres estados físicos de la materia.

Las moléculas serán siempre iguales desde el punto de vista de su constitución, se diferenciaran en el valor de su energía cinética según el estado en que se encuentre la materia.

Por lo tanto, diremos que una sustancia puede cambiar de estado, si logra variar la energía cinética de sus moléculas. Como la energía cinética depende de la temperatura del sistema, aumentando o disminuyendo la temperatura, podrá lograrse el cambio de estado.

Una sustancia que se encuentra en estado liquido y se calienta, puede pasar al estado gaseoso. Se dice que el liquido se vaporiza o que se produce la vaporización. Este cambio de estado puede producirse de dos formas diferentes:

1. Por moléculas que escapan de la superficie libre, en cuyo caso se dice que el liquido se evapora. Es decir que el cambio de estado liquido o gaseoso a través de la superficie libre recibe el nombre de "Evaporación".
   
2. Por moléculas que escapan de todo el seno de la masa liquida, en cuyo caso se dice que el liquido hierve. En este caso el cambio de estado recibe el nombre de "Ebullición".
   

LEYES DE LOS CAMBIOS DE ESTADO

El "Punto de Fusión" es la temperatura a la cual un solido se funde. Esto se produce cumpliendo las leyes de fusión:

1. Toda sustancia pura posee un punto de fusión que le es propio.
2.  La temperatura de fusión permanece constante durante todo el tiempo que dura el cambio de estado.

La "Ebullición" de un liquido se produce cumpliendo leyes absolutamente similares. Pero hay un factor que influye en la temperatura de ebullición de un liquido y es la presión que se ejerce sobre la superficie libre del liquido.

Se llama "Punto de Ebullición Normal de un Liquido" a la temperatura a la cual hierve un liquido, cuando sobre él se ejerce una presión de la atmosfera.

Si la presión externa se disminuye, la temperatura a la cual las moléculas pueden salir del seno de la masa liquida será menor. O sea que a menor presión la temperatura de ebullición es menor. A mayor presión la temperatura de ebullición es mayor. Así podemos enunciar las leyes de la ebullición de la siguiente forma:

1. Toda sustancia pura posee un punto de ebullición que le es propio, para cada valor de la presión exterior.
2. La temperatura de ebullición, permanece constante durante todo el tiempo que dura el cambio de estado, siempre que no varíe la presión.

Por lo tanto podemos afirmar que estas constantes físicas son ejemplos típicos de propiedades intensivas.

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Espero que haya resuelto las dudas de este tema tan contemporáneo y hayan disfrutado la lectura.
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