Los
sistemas materiales son cuerpos, sustancias, partes de un cuerpo o conjuntos de
cuerpos y sustancias que se encuentran juntos. Son porciones de la naturaleza
material que separamos para estudiar
Estos
sistemas se suelen clasificar a simple vista en dos grandes grupos: HOMOGÉNEOS,
cuando se puede observar una sola fase, es decir que dan la apariencia de estar
formados por un solo componente y las propiedades son las mismas en todos los
puntos del sistema; HETEROGÉNEOS, cuando se observan dos o más fases, aún
cuando estas fases puedan corresponder a diferentes estados de un mismo
componente, y se observan diferentes propiedades en distintos puntos del
sistema.
Se
llama fase a cada parte homogénea en un sistema heterogéneo y componente a
cada una de las sustancias que se encuentran mezcladas en el mismo. La cantidad
de fases y componentes es variada e independiente, es decir un sistema puede
tener tres fases y un solo componente como ocurre con el agua que puede estar en
el mismo sistema en los tres estados o puede tener tres componentes y una sola
fase como ocurre en una mezcla de sal agua y azúcar.
Cada uno de ellos puede subdividirse en distintas clases, Por
ejemplo:
Las sustancias son las distintas clases de
materia que presentan propiedades específicas constantes y una composición
definida. No pueden separarse ni fraccionarse. Son las verdaderas especies
químicas.
Las sustancias simples son las que no
pueden descomponerse en nada más sencillo porque son lo más sencillo que hay;
están formadas por un solo elemento químico. Algunos elementos tienen la
propiedad de formar distintas sustancias simples según la forma de agrupación
de sus átomos, se dice entonces que presentan variedades alotrópicas. Son sustancias simples los metales como el
hierro, cobre, oro, cinc, sodio, etc., y otras no metálicas como el azufre, nitrógeno, cloro, etc. El oxígeno y el ozono son variedades alotrópicas del
oxígeno; el carbón, el grafito y el diamante son variedades alotrópicas del
carbono
Las sustancias compuestas son las que están
compuestas por dos o más elementos y por lo tanto pueden descomponerse en otras
más sencillas. La Ley de las Proporciones Definidas o Constantes, de Joseph
Louis Proust, una de las primeras leyes de la Química, sostiene al respecto que
“Una misma sustancia compuesta tiene
siempre los mismos elementos unidos en la misma proporción de masas”. Hay
sustancias compuestas minerales como la sal común o cloruro de sodio, el yeso o
sulfato de calcio, el dióxido de carbono, el agua. Hay también sustancias
compuestas orgánicas como el azúcar común o sacarosa, el alcohol etílico, el
ácido cítrico, las proteínas, etc.
Las soluciones son las mezclas homogéneas,
es decir sistemas formados por dos o más componentes pero que presentan una
sola fase, ya que las partículas de la fase disuelta son más pequeñas de lo que
puede observar cualquier microscopio (< 0,1 nm). Por esto son claras y transparentes,
no decantan ni filtran y sólo se pueden separar por alguno de los métodos de
fraccionamiento. El componente que determina el estado de la solución o que se
encuentra en mayor proporción es el solvente, y el de menor proporción es el
soluto. Una solución puede tener un solvente y varios solutos o también varios
solventes. Son soluciones naturales por ej. el agua mineral, el agua de mar, el
aire, el azúcar en la sangre, algunos derivados del petróleo, etc.
De acuerdo con el estado de agregación de sus componentes, las soluciones se clasifican:
De acuerdo con el estado de agregación de sus componentes, las soluciones se clasifican:
Solutoà
Solvente↓
|
SÓLIDA
|
LÍQUIDA
|
GASEOSA
|
SÓLIDO
|
BRONCE
|
SAL HÚMEDA
|
ADSORCIONES
|
LÍQUIDO
|
AGUA MINERAL
|
VINAGRE
|
OXÍGENO EN AGUA
|
GAS
|
AROMAS
|
HUMEDAD EN AIRE
|
AIRE
|
El bronce, como todas las aleaciones metálicas, es una disolución de dos metales o más (en este caso estaño y cobre) que se unen tan profundamente que adquieren propiedades especiales sin que pueda considerarse un fenómeno químico.
Las adsorciones son sistemas muy particulares en los que las moléculas de un gas quedan atrapadas en la superficie de las partículas de un sólido. Así atrapan a los gases tóxicos los componentes activos de una máscara antigases por ejemplo.
La gran mayoría de los aromas de flores, frutos y también los desagradables, se deben a moléculas de sustancias sólidas que se dispersan en el aire y así llegan a nuestro membrana olfatoria.
Las emulsiones son sistemas heterogéneos
formados por la mezcla íntima de dos líquidos insolubles. Esto se logra
generalmente mediante la acción de un agente emulsionante. Son emulsiones por
ejemplo muchas cremas usadas en cosmética, la grasa de la leche, la mayonesa,
etc.
Las suspensiones son mezclas que tienen una
fase de partículas finamente divididas pero visibles (>1 µm) en un estado de
agregación y otra fase continua en otro estado de agregación. Por ejemplo: el
agua turbia de un río (sólido en líquido), la neblina (líquido en un gas), la
espuma (gas en un líquido), el humo (sólido en un gas), etc.
Como dispersiones se suele considerar a
todos los sistemas heterogéneos en los que las fases estén mezcladas, pero más
en particular a las mezclas de dos sólidos con partículas fácilmente
observables, como por ejemplo, la tierra,
la arcilla, la arena, etc.
La combinación de dos
elementos o sustancias para formar otra, así como la descomposición de una
sustancia compuesta en otras más sencilla son fenómenos químicos; la separación
de fases, el fraccionamiento, así como la mezcla o disolución son en cambio
fenómenos físicos, ya que las sustancias mezcladas siguen conservando sus
particularidades.
También se pueden
clasificar los sistemas heterogéneos o dispersiones por el estado de agregación
de la fase dispersa, (la que se encuentra en menor proporción) y de la fase
dispersante, (la que está en mayor cantidad).
Fase
Dispersaà
Fase Dispersante↓
|
SÓLIDA
|
LÍQUIDA
|
GASEOSA
|
SÓLIDO
|
HARINA
|
BARRO
|
PIEDRA
POMES
|
LÍQUIDO
|
PINTURA
|
CREMA
|
GASEOSAS
|
GAS
|
HUMO
|
NIEBLA
|
NO
(Todos
los gases son solubles)
|
MÉTODOS
DE SEPARACIÓN DE FASES
Los métodos de separación de fases son
procedimientos físicos y mecánicos destinados a separa las diferentes fases de
una dispersión. En estos procesos las sustancias no se transforman sólo se
separan. El método usado depende de las características de las fases del
sistema. Por ejemplo:
TRÍA: Es una operación manual en la que se
separan fases fácilmente observables de un sistema de pocos componentes sólidos
o de una muestra pequeña del mismo. Por ejemplo las frutas defectuosas de las
sanas en un sector de encajonado.
TAMIZACIÓN: Es un método utilizado para separa
dos fases sólidas con particulado de diferente tamaño mediante un tamiz, criba o
cernidor con perforaciones adecuadas para que deje pasar la fase más pequeña y
retenga la más grande. Así se separan por ejemplo semillas de diferentes
cereales o la arena o la harina.
FILTRACIÓN: Es un método usado para separar un
sólido insoluble de un líquido. Consiste
en hacer pasar la dispersión por un filtro que retiene las partículas sólidas y
deja pasar el líquido. Así se separan por ejemplo las impurezas de la leche en
las plantas de pasteurización. En muchos casos se usan filtros prensa, como en
la extracción de aceites de oliva o girasol
DECANTACIÓN: Es el método usado para separar dos
líquidos no miscibles de diferentes densidades o un sólido insoluble. Consiste
simplemente en dejar el sistema en reposo durante un tiempo de modo que la fase
más densa se deposita en el fondo y la menos densa queda arriba. Así se separan
por ejemplo las impurezas sólidas en los procesos de potabilización de aguas de
río.
FLOTACIÓN: Este método se usa para separa
minerales finamente divididos que tienen diferentes afinidades por un
determinado líquido o gas. Consiste en hacer burbujear un gas en la masa
barrosa que contiene a la dispersión y un agente que genere espuma. La espuma
arrastra hacia la superficie las partículas de una de las fases y deja en el
fondo a las otras. Se utiliza especialmente en la concentración de determinados
minerales livianos como los sulfuros de cobre o de hierro en la industria
metalúrgica.
CENTRIFUGADO: Se utiliza para separar líquidos no
miscibles o un sólido de un líquido. Consiste en someter al sistema a la acción
de una máquina centrífuga que acelera la decantación, enviando la fase más
densa hacia el exterior del círculo de giro mientras que la menos densa queda
en el interior. Así separa la crema de la leche en la industria láctea o algunos
componentes de la sangre en un laboratorio bioquímico.
IMANTACIÓN: Es un método para separar partículas
de hierro de un sistema. Consiste en hacer pasar el sistema (generalmente
sólido) por unas zarandas imantadas o desplazar un imán por la superficie del
sistema de modo que retenga las partículas de hierro. Se utiliza en la limpieza
de cereales que han sido maquinados y arrastran partículas de hierro de las
máquinas de tratamiento o acarreo.
EVAPORACIÓN: Se utiliza para separar un líquido de
un sólido mediante calor o corrientes de aire. Así se seca la ropa tendida, o
las semillas de cereales, o el azúcar separado de la caña, etc.
VENTILACIÓN: Se utiliza para separar sistemas
sólidos con una fase muy liviana que es arrastrada por corrientes de aire. Así
se separan por ejemplo las cáscaras de algunos cereales.
LEVIGACIÓN: Se utiliza para separar sistemas
sólidos con fases de distinto peso mediante una corriente de agua que arrastra
a la fase más liviana. Así se separan las arenas e impureza del oro en la
extracción de este metal.
LIXIVIACIÓN: En algunos aspectos es similar a la
levigación pero el líquido arrastra a uno de los sólidos por disolución. Se
utiliza por ejemplo para separar el azúcar de la remolacha azucarera mediante
una corriente de agua sobre las rodajas finas de la remolacha.
EXTRACCIÓN
O DISOLUCIÓN: Se
utiliza para separa dos sólidos de diferente solubilidad. Se agrega al sistema
un líquido que tenga la propiedad de disolver a uno de los sólidos y no al
otro. Luego se separa la solución del sólido insoluble y por último se evapora
el solvente quedando el sólido soluble aparte. Este método suele recibir
diferentes nombre según la forma de disolución. Por ejemplo: Infusión, cuando
el solvente es agua caliente (como el mate o el té). Decocción, cuando el
solvente es agua que hierve durante un rato (como en el matecocido o en el
caldo de verduras). Maceración, cuando el solvente es alcohol (como en la
elaboración de perfumes y licores).
SUBLIMACIÓN: Se utiliza para separar dos sólidos
volátiles. Al calentar la mezcla, el sólido que volatilice a más baja
temperatura, lo hará primero, luego sus vapores se enfrían y subliman.
FUSIÓN: Se utiliza para separar los
componentes de una mezcla sólida cuando estos no se descomponen por el calor.
Consiste en calentar el sistema hasta que estén todos los componentes fundidos
y luego dejar en reposo para que se enfríe lentamente y los líquidos se
concentren a diferentes alturas. Así se separa el sebo de la grasa vacuna para
refinarla.
MÉTODOS
DE FRACCIONAMIENTO DE SOLUCIONES
Estos Son métodos físicos, que por lo
general se basan en algún cambio de estado o forma de distribución de alguno de
los componentes de la solución. Por ejemplo:
DESTILACIÓN: Usado para fraccionar soluciones de
dos líquidos o de un líquido que se quiere separar de sus sólidos disueltos.
Consiste en someter al sistema a la acción del calor hasta que el componente de
menor punto de ebullición comience a hervir; sus vapores son conducidos a un
refrigerante que los vuelve a condensar. Los dispositivos utilizados para este
proceso reciben el nombre de destiladores o alambiques. Por este proceso se
obtiene el agua destilada y se concentra el alcohol para las bebidas
alcohólicas.
DESTILACIÓN
FRACCIONADA: Es un
método basado en el mismo principio que el anterior pero es más efectivo cuando
el sistema es una solución de varios líquidos de puntos de ebullición cercanos.
Se calienta la solución en una torre de fraccionamiento que suele ser muy alta
y cuenta a distintas alturas con platillos o sistemas de recolección de
lluvias. Los vapores ascienden por la columna pero se van enfriando, se
condensan y caen como lluvia que vuelve a calentarse, evaporarse y subir. Al
cabo de un tiempo la columna entra en régimen, es decir que comienzan a
concentrarse a distintas alturas los vapores de los componentes cuyo punto de
ebullición es cercano a la temperatura de ese lugar y entonces son recogidos
por los platillos o tubos de recolección que los sacan fuera de la columna. Por
este proceso se destila el petróleo para separarlo en sus componentes
comerciales más conocidos.
ÓSMOSIS: Método usado para separar soluciones
de un sólido en un líquido por medio de una membrana semipermeable que permite
que el líquido pase hacia el lado donde la concentración de soluto es mayor,
provocando su disolución. De esta forma filtran la sangre nuestros riñones.
CRISTALIZACIÓN: Se usa para separar sólidos
cristalizables de sus soluciones líquidas. Se concentra la solución por
evaporación de un parte del solvente y luego se deja en reposo para que se
formen los cristales que se separan. De esta forma se separa el azúcar de caña
de sus jarabes iniciales.
CROMATOGRAFÍA: Se utiliza para separa los
componente de una solución compleja, que no se pueden separar por otros
métodos. Está basado en el fenómeno de capilaridad de los líquidos que trepan a
distintas velocidades por los tubos capilares o poros de materiales absorbentes
de modo que al cabo de un tiempo se han separados en franjas más o menos
alejadas del punto de absorción. Se utiliza mucho en investigación científica
sobre todo cuando la proporción de sustancias disueltas es muy baja, como en
los análisis de orina que se realizan en los exámenes antidoping.
DIFUSIÓN: Usado para separar gases o líquidos.
Basado en el mismo principio que la ósmosis. Una membrana semipermeable deja
pasar las moléculas de un gas y retiene las del otro.
AUTOEVALUACIÓN: (En alguna parte del apunte encontrarás posibles respuestas)
Prueba si puedes responder las
preguntas y resolver los problemas siguiendo el proceso que se plantea en este
ejemplo:
Tomamos una muestra de agua turbia con
arena de una playa de río. Si nombramos a sus componentes en forma genérica
podemos decir que contiene agua, arena y arcilla dispersas y minerales
disueltos:
1) ¿Qué clase de sistema es?.
2) ¿Cuántas fases tiene?.
3) ¿Cuál es el estado de agregación de
esas fases?.
4) ¿Cuál es la fase dispersante?.
5) ¿Qué diferencia visible hay entre
la arena y la arcilla?
6) ¿Cuántos componentes tiene el
sistema?
7) ¿Por qué método podemos separar la
arena?.
8) ¿Qué clase de sistema es la arena
limpia?.
9) ¿Qué clase de sistema es el agua
que nos queda?.
10) ¿Por qué método podemos separar la
arcilla del agua?.
11) ¿Por qué método podemos secar la arcilla
sólida que separamos del agua?.
12) ¿Qué clase de sistema es el agua clara
que nos quedó?
13) ¿Cuántas fases tiene este sistema?
14) ¿Cuántos componentes?
15) ¿Por qué método podemos separar
los minerales del agua?.
16) ¿Qué clase de sistema es el agua
que nos queda?
INVESTIGACIÓN:
1) ¿Qué metales componen las siguientes aleaciones comerciales y para que se usa cada una?
a) acero común. b) acero inoxidable. c) latón. d) alpaca. e) oro de joyería.
f) duraluminio. g) estaño para soldaduras. h) constantán. i) peltre. j) plata de ley.
k) cuproniquel.
2) ¿Cuáles son los principales componentes de la leche de vaca y qué sistema forma cada uno?
3) ¿Qué son las propiedades coligativas de una solución y cuáles son las principales?
4) ¿Qué significan las unidades nanómetro (nm) y micrómetro (µm)?