texto soluciones y estequiom. ma.v.a.c

1

Universidad de Antioquia Grupo Metodología de la Enseñanza de la Química MEQ

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

INSTITUTO DE QUÍMICA

Profesora María Victoria Alzate Cano

Profesora titular

CURSO: SOLUCIONES Y ESTEQUIOMETRÍA CNQ – 130 (04)

Semestre II/09

Medellín Diciembre de 2009

2


CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓN .............................................................................. 3

2 MATERIALES ................................................................................... 6

2.1 Introducción ......................................................................................................................... 6

2.2 Objetivo ................................................................................................................................ 6

2.3 Preguntas previas ............................................................................................................... 6

2.4 ¿Qué estudia la Química? .................................................................................................. 7

2.5 Materiales: mezclas y sustancias ...................................................................................... 7

2.6 Sustancias y mezclas ........................................................................................................ 10

2.7 Composición de las mezclas ............................................................................................ 15

2.8 Coloides ............................................................................................................................. 19

2.9 Composición de las sustancias ....................................................................................... 22

2.10 Fórmula química ................................................................................................................ 23

2.11 Sustancia simple y sustancia compuesta ....................................................................... 26

2.12 Clasificación de Sustancias simples y compuestas ...................................................... 28

2.13 Introducción al concepto de sustancia básica o elemento químico ............................. 31

3 DE LAS MEZCLAS A LAS SUSTANCIAS ................................... 35

3.1 Introducción ....................................................................................................................... 35

3.2 Objetivo .............................................................................................................................. 35

3.3 Preguntas previas ............................................................................................................. 36

3.4 De las mezclas a las sustancias....................................................................................... 36

3


1 INTRODUCCIÓN

La ciencia y en particular la ciencia Química es un sistema de conceptos y teorías, un sistema conceptual para referirse, interpretar, inferir y predecir situaciones, fenómenos o acontecimientos «reales» y a las características más o menos generales de objetos o entidades perceptibles o inferidas de procesos de percepción. Teorías y una amplia diversidad de representaciones se denominan modelos de la ciencia y son construidos por los humanos en procesos de investigación científica. Las teorías y modelos de la Química son creaciones humanas de los químicos, quienes en el desarrollo histórico de la Química han aportado a la construcción conceptual de la química moderna. Los fenómenos «reales» de la Química son las sustancias químicas y sus comportamientos químicos y físicos, perceptibles de modo directo o indirecto, o inferidos cuando ellas son reunidas para formar mezclas, cuando interactúan como combinación química para formar nuevas sustancias o cuando sufren cambios físicos en contextos específicos. Los conceptos y teorías de la Química, lenguaje químico y modelos moleculares, y metodologías químicas son constructos mentales, motivo de la enseñanza y el aprendizaje. Cuando nos relacionamos con las sustancias las percibimos con las ideas que tenemos de ellas. Nuestras ideas y significados ya adquiridos se relacionan con los nuevos conocimientos presentados en el aula de clase, en los textos y en la vida; son reelaboradas, construidas nuevas ideas y desaprendidas otras. Los modelos de la Química constituyen un sistema conceptual, es decir, no son cada uno un objeto conceptual individual, están relacionados y el grado de relacionabilidad que de ellos se logre establecer permite una mayor o menor complejidad del conocimiento acerca de las sustancias y sus propiedades, de sus modelos de estructura y de las relaciones entre sustancias y sus comportamientos, lenguaje químico y modelos estructurales.

“El aprendizaje significativo es muy importante en el proceso educativo porque es el mecanismo humano por excelencia para adquirir y almacenar la vasta cantidad de ideas e información representadas por cualquier campo de conocimiento…” Ausubel, 1976

4


William B. Jensen1, químico y filósofo norteamericano, clasifica el sistema conceptual de la Química en tres categorías generales: molar, molecular y

eléctrica. Categoría molar constituye un conjunto de conceptos interrelacionados para referirse a las sustancias y sus comportamientos en contexto. La categoría molecular hace referencia en primer lugar, a un lenguaje químico inventado por los químicos para representar y modelar las sustancias en términos de fórmulas

químicas, composición y estructural, y en segundo lugar, a una variedad muy amplia de modelos moleculares creados para representar y modelar las sustancias y sus comportamientos químicos en contexto. Fórmulas químicas y moléculas se vinculan de modo coherente para representar a las sustancias y modelarlas en situación de resolver problemas químicos. La categoría eléctrica se refiere al sistema conceptual que permite concebir las moléculas como interacciones entre núcleos y densidades electrónicas (electrones) Las tres categorías molar, molecular y eléctrica se relacionan en los cuadros 1 y 2. En el cuadro 2 se amplía el contenido, al concebir la molécula como estructurada por interacciones entre núcleos y electrones, a su vez pensada en términos de estructura interna (core: núcleo y electrones internos) y de valencia (electrones de valencia); el núcleo relacionado con elemento e identificado con el número atómico (Z número de protones zX) y este constituido por las interacciones entre protones y neutrones; diferente cantidad de neutrones da lugar a los isótopos del

elemento XA

Z .

Cuadro 1 Categorías de la Química

En esta perspectiva, en este modulo se plantea un conjunto de conceptos, referidos a materiales, sustancias, mezclas, y comportamientos químicos y físicos. En el campo de la categoría molar, es de interés interactuar con los conceptos: material, sustancia, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea,

1 Jensen, W. (1998), Logic, History, and the Chemistry Textbook I, Does Chemistry have a Logical Structure?,

Journal of Chemical Education, 75, 6, 679 – 685

SUSTANCIAS

Y COMPORTAMIENTOS

QUÍMICOS

LENGUAJE QUÍMICO FÓRMULAS QUÍMICAS

COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURAL

MOLÉCULAS COMO

INTERACCIONES ENTRE

NÚCLEOS Y ELECTRONES Categoría Molar

Categoría Molecular

Categoría eléctrica

5


metodologías de separación, disolución, solubilidad, concentración y cambio químico y físico.

Cuadro 2 Categorías de la Química

En el nivel molecular es de interés el lenguaje químico en cuanto símbolos elementales, fórmulas químicas de composición relativas y moleculares o absolutas y ecuaciones químicas. Sustancias, comportamientos y lenguaje están relacionados de modo dialéctico, es decir, transformar sustancias es también transformar símbolos. Operaciones con las sustancias y operaciones con el lenguaje, constituyen una unidad de interacciones operacionales y conceptuales en la solución de situaciones químicas. Los temas antes mencionados están organizados en tres unidades que exponen conceptos y situaciones. Relacionadas con materiales, sustancias, mezclas y propiedades químico-físicas. Además de plantear los conceptos mencionados, se presenta un grupo de actividades distribuidas a lo largo de las unidades, unas como actividades de reflexión y otras de solución de problemas. Este modulo es un intento de dar sentido al aprendizaje significativo de conceptos químicos, en cuanto es un medio que lo puede facilitar, pero es indispensable que el alumno desee aprender significativamente y que el profesor interactúe en el aula para facilitarlo. Se insiste que la Química como una ciencia que transforma, no trata sólo de materiales y metodologías experimentales, trata también de la construcción de sistemas de conceptos, de modelos moleculares y de un lenguaje, para operar con éstos en la acción dirigida y relacionada con las metamorfosis de las sustancias. Lenguaje y modelos que también se transforman en las operaciones con las sustancias.

Sustancia

s

Molécula

s Protones

Neutrones

Electrones de valencia

Núcleos

Molar Molecular Eléctrica

Elemento

s

Isótopos

Core

Electrones internos

6


2 MATERIALES

2.1 Introducción

El tema de esta unidad hace referencia, en primer lugar, a reconocer la función social de la Química y la gran diversidad de materiales de procedencia natural y sintética, involucrados en la vida humana como productos de investigación, del desarrollo tecnológico y de la producción industrial, y utilizados por las personas en las múltiples actividades cotidianas relacionadas con la calidad de vida, con el trabajo, con la salud y con el aprendizaje.

Esta unidad, en lo fundamental, trata de la consideración de algunos significados para los términos material, sustancia y mezcla, su diferenciación y uso en la solución de situaciones químicas que permiten poner en acción la comprensión y práctica de estos conceptos.

Interactuar con los conceptos material, sustancia y mezcla, composición de la mezcla y composición de la sustancia, reclama de la relación de ellos con otros conceptos como cantidad y propiedades de las sustancias y de las mezclas, así como de la identificación de algunos comportamientos como solubilidad (S), temperatura de fusión (Tfus), temperatura de ebullición (Teb), temperatura de sublimación (Tsub).

Se insiste de nuevo que la Química como una ciencia que transforma, no trata sólo de materiales y metodologías experimentales, trata también de la construcción de sistemas de conceptos, de modelos moleculares y de un lenguaje, para operar con éstos en la acción dirigida y relacionada con las metamorfosis de las sustancias. Lenguaje y modelos que también se transforman en las operaciones con las sustancias.

2.2 Objetivo

Reconocer y diferenciar significados para los conceptos: material, sustancia, mezcla, solubilidad, composición de la mezcla y composición de la sustancia, fórmula química relativa y molecular, y de aplicarlos adecuadamente en la solución de situaciones químicas.

2.3 Preguntas previas

a) ¿Cómo evalúo mi interés y disposición para la Química?

“Lo repetimos, La química propiamente dicha está en las metamorfosis, en las generaciones de la materia; esto constituye su carácter fundamental...”

Charles Gerhardt, 1848.

7


b) ¿Puedo reconocer la función social de la Química? Plantea algunas situaciones.

c) ¿Puedo reconocer el significado de material? d) ¿Puedo diferenciar una sustancia de una mezcla? e) ¿Puedo diferenciar la composición de una sustancia de la composición de una mezcla? f) ¿Puedo reconocer una fórmula química relativa y una molecular?

2.4 ¿Qué estudia la Química?

El texto de Gerhard2 divulgado hace ciento cincuenta y nueve años, da sentido a considerar la Química como la ciencia de las transformaciones y de las creaciones de materiales nuevos. La Química estudia los materiales, los transforma químicamente y crea nuevos materiales. La ciencia y la tecnología actual son altamente productivas en la generación de nuevos materiales con múltiples aplicaciones en la industria, en la vida de las personas, en los viajes espaciales, en la electrónica, en medicina y en el tratamiento de enfermedades; en la navegación y en otros medios de trasporte como el aéreo y el terrestre.

La Química como una ciencia que transforma, decide por las transformaciones de la esencia de los materiales en contexto, esencia en términos de composición y estructura, lo cual requiere de la identificación del material como una sustancia o como una mezcla, decidir sobre su composición cualitativa y cuantitativa, y caracterizarlo con base en un conjunto de propiedades o comportamientos químicos y físicos en contexto.

La Química como una ciencia que transforma, no trata sólo de materiales y metodologías experimentales, trata también de la construcción de sistemas de conceptos, de modelos moleculares y de un lenguaje, para operar con éstos en la acción dirigida y relacionada con las metamorfosis de las sustancias. Lenguaje y modelos también se transforman en las operaciones con las sustancias.

La transformación química de los materiales es también dominio del conocimiento de otros campos como las matemáticas, el lenguaje, la física, la biología y la ingeniería entre otros; conocimiento adquirido a lo largo de la vida, mediante procesos de aprendizaje en diferentes niveles educativos y en el ejercicio del conocimiento en la vida profesional y científica.

2.5 Materiales: mezclas y sustancias

El concepto de sustancia, siendo fundamental en química, no es claro y es

difícil de comprender, dada la diversidad de situaciones y de lenguajes en la

química, para realizar consideraciones al respecto. Estando de acuerdo en al menos tres niveles de conceptualización en química, referirse a cada uno de

ellos nos permite considerar que el concepto sustancia no puede tener un

único significado y nos enfrentamos a un conjunto de ellos según que

2 Gerhardt, C., 1848, Introduction à l’étude de la chimie par le systèm unitarie, París, p. 4, citado por

Bachelard, G., 1976, El materialismo Racional, Paidos, Buenos Aires, p. 58.

8


nuestros pensamientos se posicionen en un campo de sustancias en el nivel

molar, o en un campo de moléculas en el nivel molecular, o en un campo de

interacciones entre núcleos y electrones en el nivel eléctrico, o en un campo

de interacciones nucleares. Esto no lleva a considerar la química como una ciencia que trata con una diversidad de clases de conceptos que juegan un

rol muy importante según los contextos tratados o en estudio.

En el nivel de la conceptualización molar, no tenemos referentes teóricos de

modo exclusivo para expresar significados teóricos del concepto sustancia. Disponemos de un conjunto de referentes conceptuales operacionales que

orientan a una definición en términos operacionales que crece en grado de

abstracción y complejidad según las situaciones consideradas. En esta

dirección un posible significado para sustancia no es único, aclarando que un concepto no es una definición, sino una construcción del significado, que

evoluciona en el tiempo según la clase de problemas a resolver, lo cual a su

vez implica un lenguaje cuya sintáctica y semántica, representa para el

caso, sustancias y sus transformaciones.

Se quiere decir que un concepto no puede reducirse a una definición, al

menos si estamos interesados en su enseñanza y aprendizaje. Es a través

de situaciones y problemas como un concepto adquiere sentido para una

persona, lo cual conlleva la utilización de lenguaje, para el caso tanto

nuestro idioma original como lenguaje químico de diferentes niveles sintáctico y semántico. Se quiere decir que estudiar un concepto, su

funcionamiento y desarrollo, requiere de una dialéctica que considera

conceptos y relaciones conceptuales, situaciones o problemas y lenguajes.

En una perspectiva operacional, podría considerarse sustancia como un material homogéneo, de composición definida e invariante de

elementos químicos, lograda de alta pureza por medio de

metodologías de separación (producida por purificación),

caracterizada por un conjunto de propiedades químico-físicas en contexto, y reproducibles en contextos similares. La sustancia es

posible de ser múltiple en una diversidad de contextos de presión y

temperatura: líquida, sólida, vapor y gas; de asociarse con otras

sustancias en ambientes de P, T y […], y de transformarse en

nuevas sustancias cuando interactúa con otras y/o con radiación en ambientes específicos.

Composición definida e invariante, también denominada identidad química,

se refiere a composición como combinación de elementos químicos

(sustancia básica) en términos cualitativos y cuantitativos. Cualitativos en cuanto a la clase o clases de elementos combinados y cuantitativos en

relación con la cantidad de cada clase de elemento en la combinación.

Composición cuantitativa puede expresarse en unidades de % en masa de

cada elemento, conocida como composición relativa.

Composición cualitativa y cuantitativa definida e invariante, como se ha

anotado, da lugar a diferenciar y clasificar la sustancia como básica, simple y

compuesta.

El significado de sustancia se profundiza al trascender un material o una materia perceptible a los sentidos de modo directo y/o indirecto

9


(propiedades primarias y secundarias). En la idea de la química como

ciencias de transformaciones (metamorfosis de las sustancias) y de

relaciones químicas, se induce el significado de sustancia no como un ente

aislado y estático, sino como una materia dinámica posible en una red de relaciones químicas con otras sustancias en contexto. Es decir, la química no

estudia sólo sustancias aisladas para ser medidas, estudia también una red

de relaciones de sustancias y de relaciones químicas.

Esto nos lleva a considerar la sustancia como una multiplicidad posible (con diferentes grados de realidad y de abstracción), en contextos diversos y en

una dinámica de modificaciones químicas en la síntesis química,

modificaciones que también se presentan en los procesos de purificación de

sustancias. Dinámica que ha dado lugar a la construcción de los sistemas de clasificación de sustancias como clases de sustancias, caracterizada cada

clase por una red de relaciones químicas.

Los seres humanos, en cualesquier contexto social, manipulamos una gran diversidad de materiales en la perspectiva de alguna función útil para la población en general, para un sector amplio de ésta o para un grupo más reducido de personas. La globalización de las relaciones económicas, industriales, comerciales y del conocimiento, genera una serie de materiales de carácter universal y otros de carácter local a nivel de un continente o de un país.

Entre los varios millones de materiales unos son, bastante, cotidianos como la madera; los ladrillos; la arena; el cemento; la sal común; el azúcar; el arroz; las varillas de aluminio o de acero; aleaciones como el latón y el bronce; telas de algodón, la seda, o de alguna fibra sintética como el nylon; gran variedad de plantas como los árboles frutales de mango, banano y naranja; bombillas eléctricas; diferentes recipientes plásticos; materiales del sector energético como petróleo, gasolina, carbón y gas natural; minerales como cuarzos y esmeraldas; joyas preciosas de oro y plata; bebidas y licores; cables de cobre y de fibra óptica; dispositivos electrónicos como los computadores, robots y gran variedad de juguetes electrónicos; drogas; w1perfumes, lociones y cosméticos; herramientas de uso industrial y/o doméstico; electrodomésticos; papel bond, cartón, cartulina, papel Kimberly, papel silueta; agua marina, agua potable, agua lluvia; los planetas, satélites y estrellas del cosmos. Otros materiales de modo aparente son menos habituales y están integrados al conjunto de las actividades sociales que realizan los seres humanos, por ejemplo: alumbre; chalcantita; microchips; bombilla de rayos-x, de luz ultravioleta o infrarrojo; tubos de rayos láser; sustancias radiactivas en medicina nuclear como cobalto-61 y yodo-131. Son innumerables los cientos de sustancias químicas utilizadas en la industria manufacturera para tratar las materias primas y para generar nuevos productos, así como las miles de sustancias extraídas de los materiales naturales mediante procedimientos vía sintética o experimental.

Los varios millones de materiales naturales y sintéticos, en su múltiple diversidad de presentación, son formados desde otros materiales, para nuestro caso llamados sustancias. Los objetos pueden estar formados por un sola clase

10


de sustancia en una fase definida, por ejemplo, agua líquida H2O(l), agua sólida H2O(s), agua gaseosa H2O(g), cloruro de sodio sólido NaCl(s), bióxido de carbono gaseoso CO2(g) bióxido de carbono sólido CO2(s), dioxígeno gaseoso O2(g), dinitrógeno gaseoso N2(g), dinitrógeno líquido N2(l), carbonato de calcio sólido CaCO3(s), chalcantita o sulfato de cobre pentahidratado sólido CuSO4.5H2O(s). Otros materiales están constituidos por dos o más sustancias mezcladas, por ejemplo, la leche es una mezcla constituida principalmente de caseína, sales y agua; la madera es una mezcla de celulosa y colorantes; el agua de mar es una mezcla líquida de agua y de varias sales disueltas entre ellas cloruro de sodio (NaCl) y cloruro de potasio (KCl); el aire es una mezcla gaseosa de dinitrógeno gaseoso [N2(g)], dioxígeno gaseoso [O2(g)], y otras sustancias gaseosas en menor cantidad como el dihidrógeno gaseoso H2(g) y el helio [He(g)]: {N2(g), O2(g), H2(g) , He(g), … }.

Los varios millones de materiales naturales y sintéticos en su múltiple diversidad de presentación, están constituidos por sustancias. Las sustancias constituyen a los materiales generados vía natural o vía artificial. Las sustancias son percibidas como de alta pureza, comúnmente nombradas sustancias puras, o como sustancias asociadas, llamadas Mezclas.

Algunas sustancias se encuentran a nuestro alrededor, las manipulamos y transformamos en muchas ocasiones por métodos simples. Ejemplos de ésta situación son: calentar agua líquida y obtener agua gaseosa, disolver sal común en agua líquida, cocinar los alimentos, ingerir medicamentos; otros métodos son menos simples, más complejos, como es el caso de la transformación de materias primas para la obtención de nuevos productos: la producción de leche, bebidas y medicamentos para el consumo humano, o la producción de acero y cables eléctricos de cobre, o de los sistemas microelectrónicos como chips de computador y la simcard de los celulares entre otros.

El progreso de los programas de investigación y desarrollo en diferentes empresas industriales, centros de investigación y universidades del planeta, están creando continuamente nuevas sustancias químicas y en la época actual, la búsqueda de nuevos materiales progresa a un ritmo acelerado. Profesionales químicos, ingenieros, físicos, matemáticos y otros de la ciencia y la tecnología, aúnan esfuerzos para sintetizar sustancias químicas en estado de alta pureza o mezcladas para ser utilizadas a altas temperaturas, para producir nuevos dispositivos electrónicos y aeroespaciales, nuevas drogas sintéticas, nuevos materiales resistentes a la corrosión y nuevos materiales poliméricos con propiedades aislantes como plásticos y cerámicas entre otros.

2.6 Sustancias y mezclas

Los materiales con los cuales tratamos a diario o los que por algún motivo son ajenos a nosotros, se presentan en forma de sustancias reunidas o mezcladas, las mezclas. Una sustancia es un material homogéneo caracterizado por un conjunto de propiedades en contexto, cualquiera sea la cantidad de masa,

11


constituido por una sola clase de sustancia, material que según el contexto de presión y temperatura se presenta en una fase definida: sólida, líquida o gaseosa.

Homogéneo significa que cualesquiera sea la cantidad de masa de la sustancia, la magnitud de cualquier propiedad es reproducible y constante en contextos similares, por ejemplo: la sustancia agua (H2O) en contexto se presenta como líquida H2O(l) gaseosa H2O(g) o sólida H2O(s) y caracterizada por un conjunto de propiedades3; el etanol (C2H5OH) en contexto se presenta como líquido C2H5OH(l), gaseoso C2H5OH(g) o sólido C2H5OH(s) , caracterizado por un conjunto de propiedades cuyas magnitudes son diferentes a las del agua; el cobre(Cu) en ciertos contextos es metálico o sólido Cun o Cu(s), en otros puede ser líquido Cu(l) o gaseoso Cu(g) y caracterizado por un conjunto de propiedades cuyas magnitudes son diferentes a las del agua y a las del etanol. En ciertas condiciones una sustancia coexiste en dos fases o en tres, las cuales pueden estar en equilibrio o no, como es el caso del agua en un recipiente cerrado a temperatura ambiente {H2O(l), H2O(vap)}, o del etanol {C2H5OH(l), C2H5OH(vap)}.

Contexto de presión y temperatura: hace referencia a un rango de presión y temperatura en el cual la sustancia se comporta en una fase determinada. El agua se caracteriza, por ejemplo, con las propiedades: temperatura de ebullición y temperatura de fusión. La magnitud de estas temperaturas es una constante si la presión atmosférica no es modificada. Si la presión es variada, la magnitud de la temperatura cambia. El agua es líquida en un amplio rango de presión y de temperatura. La tabla 1 detalla información del agua en contextos de ebullición, fusión y sublimación. La tabla 2 informa acerca de H2O(l) en ciertos contextos.

Una mezcla es una asociación (reunión o agrupación) de dos, tres,... diez o más sustancias diferentes, las cuales pueden encontrarse en una misma fase o en fases diferentes e interactúan como disolución entre ellas o entre algunas de ellas en una relación de cantidad o no interactúan como disolución. Para el primer caso se afirma que las sustancias son solubles o parcialmente solubles, y para el segundo, se afirma que no son solubles o son poco solubles. Cuando las sustancias son solubles, se considera que la mezcla es homogénea según la relación de solubilidad y se presenta en una fase. Cuando no lo son o cuando se sobrepasan los límites de la relación de solubilidad, la mezcla es heterogénea y se presentan varias fases. La tabla 3 informa acerca de la naturaleza de la mezcla formada por las sustancias agua y cloruro de sodio NaCl a la presión y temperatura ambiente (1, atm y 25ºC); solubilidad4 de NaCl(s) en H2O(l)

OgHg 20,1000,35 . La tabla 4, informa acerca de la solubilidad de algunas sustancias

3Propiedad: comportamiento de la sustancia en unas condiciones determinadas de temperatura, presión y

concentración. El comportamiento es de naturaleza química y física (químico-físico). 4 Solubilidad: máxima cantidad de soluto disuelto en 100,0 g de solvente a una temperatura determinada.

Sustancia disuelta denominada soluto; sustancia que actúa como medio de disolución denominada solvente.

12


Tabla 1 Propiedades H2O

SUSTANCIA Agua

PRESIÓN (P) atm

TEMPERATURA DE EBULLICIÓN

5

Teb ºC H2O(l) ↔ H2O(vap)

TEMPERATURA DE FUSIÓN

6

Tfus ºC H2O(s) ↔ H2O(l)

TEMPERATURA DE

SUBLIMACIÓN7

Tfus ºC H2O(s) ↔ H2O(vap)

H2O 1.5

H2O 1.0 100 0

H2O 0.5

Tabla 2 H2O(l) en contexto

SUSTANCIA Agua

FASE Líquida

PRESIÓN (P) atm

TEMPERATURA (T) ºC

CIUDAD

H2O H2O(l) 1.00 20 – 35 Cartagena

H2O H2O(l) 0.86 18 – 31 Medellín

H2O H2O(l) 0.71 05 – 20 Bogotá

Tabla 3 Mezcla cloruro de sodio y agua

H2O(l) NaCl(s) {H2O(l),NaCl(s)} NaCl(ac) CLASE DE MEZCLA

100,0 g 35,0g 135,0g Homogénea






100,0 g 36,0g 136,0g

35,0 g disueltos y 1,0 no disuelto

Heterogénea Constituida de una solución (fase

líquida) y una fase sólida

100,0 g 38,0g 138,0g

35,0g disueltos y 3,0 no disueltos

Heterogénea Constituida de una solución (fase

líquida) y una fase sólida

Tabla 4 Solubilidad de sustancias

SUSTANCIA SOLUBILIDAD

EN 100,0 g deAGUA TEMPERATURA, ºC

NaCl(s) 35,0 g 25

NAOH(s) 109,0 g 25

NaHCO3(s) 10,0 g 25

NaCO3(s) 10,9 g 25

Na2SO4(s) 27,7 g 25

5 Temperatura a la cual coexisten en equilibrio la fase líquida y la fase vapor:

6 Temperatura a la cual coexisten en equilibrio la fase sólida y la líquida:

7 Temperatura a la cual coexisten en equilibrio la fase sólida y el vapor:

H2O(l) H2O(vap)

H2O(s) H2O(l) H2O(s) H2O(vap)

13


KCl(s) 35,7 g 25

C12H22O11(s) Bastante soluble 25

C2H5OH(s) Bastante soluble 25

O2(g) 4,89 ml 0

O2(g) 2,46 ml 50

N2(g) 2,33 ml 0

N2(g) 1,42 ml 40

CO2(g) 171,3 ml 0

CO2(g) 90,1 ml 20

Las sustancias componentes de una mezcla, pueden ser o no ser diferenciadas por la percepción en forma directa. Esto es, una mezcla puede por apariencia mediante la percepción sensorial perecer homogénea sin serlo. La prolongación de los sentidos por medio de un instrumento mecánico, óptico o electrónico, es un método propicio para profundizar en el conocimiento de las mezclas y lograr evidencias acerca de su naturaleza homogénea o heterogénea.

Una mezcla es homogénea si para cualquier cantidad de masa de la mezcla, la magnitud de alguna propiedad no cambia en contextos similares, esto es, la magnitud de la propiedad es una constante en contextos reproducibles de T, P y concentración8 [ ]; las mezclas homogéneas se presentan en una fase y reciben el nombre de disoluciones. Una disolución se denomina saturada si la cantidad de soluto disuelto y la cantidad de solvente están en una relación proporcional a la solubilidad. Si la magnitud de dicha relación es menor que la solubilidad, la disolución se nombra insaturada, si la relación es un poco mayor la solución se denomina sobresaturada.

En este momento, es necesario recordar y aclarar que nos referimos a sustancia como material homogéneo y a la solución como material homogéneo. Sustancia es un material de una clase química y solución requiere de, al menos, dos sustancias diferentes o dos clases químicas. H2O y NaCl son cada uno una clase química y las dos cuando interactúan mediante la solubilidad constituyen una disolución.

Sustancias y mezclas tienen comportamientos en contexto, ya sea en relación con energía o con otra sustancia y energía, y ambos comportamientos son diferentes, es decir, la magnitud de los comportamientos de H2O es diferente a las de NaCl y éstas a su vez diferentes de las de la disolución {H2O, NaCl}.

Una mezcla homogénea puede considerarse como la asociación o reunión de cantidades de sustancias definidas de acuerdo a la solubilidad, por ejemplo,

8 Concentración [ ], relación entre cantidades de dos sustancias (soluto y solvente) componentes de la

mezcla, o de la cantidad de una sustancia (soluto) y la cantidad de mezcla (soluto y solvente). Una forma de expresar la concentración es la molaridad M: moles de soluto disuelto por litro de disolución. Esto significa que una cantidad de un mol de soluto (equivale en gramos a la masa molar de la sustancia soluto) está disuelta en un litro de disolución.

14


etanol líquido C2H5OH(l) y agua líquida H2O(l), cloruro de sodio sólido NaCl(s) y agua líquida H2O(l), azúcar C12H22O11(s) y agua líquida; el aire; una aleación oro-cobre [Au-Cu] o zinc-cobre [Zn-Cu]. Las mezclas homogéneas, como fue anotado en párrafo anterior, no son homogéneas en cualesquiera cantidad de las sustancias asociadas, son homogéneas solamente en las condiciones impuestas por la solubilidad de una sustancia con respecto a otra en un contexto definido; por ejemplo, el sulfato de cobre pentahidratado sólido CuSO4.5H2O(s) presenta una solubilidad de máximo 31,6 gramos en 100,0 g de agua líquida, para esta

relación OgHg 20,1006,31 o menores, las dos sustancias forman una mezcla homogénea, es decir una disolución acuosa.

La solubilidad de una sustancia sólida en una líquida o en una mezcla líquida, en la mayoría de los casos, es modificada por un incremento o una disminución de la temperatura. Por ejemplo, mayor cantidad de azúcar se disuelve en un tinto caliente que en uno a temperatura ambiente. Los cambios de presión no modifican la solubilidad de un sólido en un líquido. La solubilidad de un gas en un líquido como el agua, aumenta con la presión del gas sobre el líquido; si la presión disminuye, la solubilidad del gas también disminuye.

Analiza:

a) ¿Por qué al destapar una botella con gaseosa se forma un burbujeo y qué modificación experimenta la solubilidad del CO2(g)?

b) ¿Por qué el sabor del agua potable a temperatura ambiente es diferente al del agua caliente? c) ¿Por qué al agregar un cristal de cloruro de sodio o de azúcar a una gaseosa de inmediato

se libera el dióxido de carbono disuelto? d) ¿Cómo diferenciar una sustancia de una solución, si ambas son homogéneas? e) ¿En qué consisten los procesos de destilación y cromatografía?

Una mezcla es heterogénea si para cualquier cantidad de masa de la mezcla, la magnitud de alguna propiedad cambia en contextos similares, esto es, la magnitud de la propiedad es variable en contextos reproducibles; en las mezclas heterogéneas la relación de solubilidad puede equivaler a ser insolubles las sustancias, poco solubles o a cantidades mayores de la relación de solubilidad; presentan al menos dos fases diferentes. Son ejemplos de mezclas heterogéneas: la leche, el cemento, la arena, un yogurt, una pasta de caldo maggi y el humo de una chimenea.

A nivel de la percepción sensorial, el que una mezcla sea homogénea tiene carácter relativo; observar la homogeneidad de una mezcla depende del medio de observación. El agua cristalina de un río en zonas montañosas, se presenta en la fase líquida y la observamos transparente a simple vista y la clasificamos como homogénea; colocada una muestra en un microscopio óptico, son percibidos algunos microorganismos y partículas sólidas de algunas sales y la clasificamos como heterogénea. La leche es de apariencia homogénea y vista por medio de un microscopio óptico es heterogénea.

15


El alambre de cobre utilizado en los conductores eléctricos, el filamento de wolframio de las bombillas eléctricas, la sacarosa, el cloruro de sodio, son sustancias. El agua natural es una mezcla de apariencia homogénea, la cual se constituye por agua líquida y sustancias gaseosas disueltas como dioxígeno (O2) y dinitrógeno (N2) de la atmósfera, así como pequeñas cantidades de algunas sales disueltas provenientes del suelo. Una gaseosa en un recipiente sellado es una mezcla homogénea, la cual contiene: agua, azúcar, colorantes, saborizantes, conservativos y dióxido de carbono disuelto de acuerdo con la presión ejercida sobre el líquido. El granito, conocido material de la construcción, es una mezcla heterogénea, en la cual se nota la presencia de un sólido extendido en el material llamado feldespato y corpúsculos dispersos de cuarzo, mica y otros minerales. Los humos son mezclas heterogéneas cuyos constituyentes son partículas de sólidos dispersas en el aire.

Entre las mezclas es de destacar las mezclas acuosas, un soluto o varios en relación con el agua. El agua es llamada el solvente universal y esencial para la vida; en un ser humano entre el 65% y el 7º% del peso es agua y una disminución o un aumento genera deficiencias patológicas. La totalidad de las reacciones bioquímicas se realizan en medio acuoso, todos los nutrientes se trasportan en el seno del agua. Un gran número de mezclas con las cuales interactuamos son acuosas, por ejemplo: el tinto, la leche, las bebidas y el agua de mar.

2.7 Composición de las mezclas

La composición de las mezclas tiene características cualitativas y cuantitativas. El término cualitativo, hace referencia a las clases de sustancias participantes en una mezcla. El término cuantitativo, está relacionado con la cantidad de la mezcla y con la cantidad de cada componente individual participante en la mezcla. De este modo la composición de una mezcla está referida a tres aspectos centrales:

a) Clases de sustancias que constituyen la mezcla.

b) Cantidad de la mezcla.

c) Cantidad de cada sustancia participante en la mezcla.

La cantidad de una mezcla se expresa en masa y/o volumen. La cantidad de cada una de las sustancias constituyentes es expresada en masa y/o volumen, o en porcentaje de masa, o en porcentaje de volumen.

Si una mezcla de tres componentes denominados C1, C2, C3, a los cuales corresponden las masas m1, m2, m3, la cantidad de mezcla expresada como masa m es representada por las expresiones detalladas a continuación, las cuales denotan la masa de la mezcla como la sumatoria de las masas de los componentes, lo cual obedece a la operación de la adición de la magnitud denominada masa:

mmezcla = m1 + m2 + m3

16


De un modo general: mmezcla = n

i

im

Para el caso del volumen de una mezcla homogénea, en particular cuando los componentes se encuentran en fase líquida, la mezcla en fase líquida, no se cumple la operación de la adición de los volúmenes, el volumen de la mezcla debe ser medido. Ejemplos de esta situación son las mezclas constituidas por las sustancias líquidas agua-metanol [H2O(l),CH3OH(l)], tolueno-hexano [C7H8(l),C6H12(l)] , agua –etanol [H2O(l),C2H5OH(l)].

La cantidad de mezcla o de cada sustancia en la mezcla expresada en masa se denota con unidades de uso común en Química. Nombre y símbolo se detallan en la tabla 5. La cantidad de mezcla o de cada sustancia en la mezcla expresada en volumen se nombra con unidades de uso común en química. Nombre y símbolo se detallan en la tabla 6.

Las mezclas con las cuales interactuamos en la vida diaria no son conglomerados de sustancias reunidas en forma aleatoria. Son materiales con una composición definida por cada una de las sustancias que la integran y con una identificación clara de sus componentes. Las mezclas producto de procesos industriales son manipuladas, para su obtención, de forma intencionada según las características definidas para el producto. La clase de sustancias en una mezcla, la cantidad de cada sustancia en la mezcla y la cantidad de mezcla son decididas de acuerdo a la clase de producto. Una lectura reflexiva al empaque de un medicamento o de un alimento, por ejemplo, nos suministra información respecto a la composición cualitativa y cuantitativa de la respectiva mezcla.

Tabla 5 Unidades de masa

Nombre Símbolo Equivalencia

Kilogramo Kg 1000 g

Gramo G

Miligramo Mg 10-3

g

Microgramo g 10-6

g

Nanogramo Ng 10-9

g

17


Tabla 6 Unidades de volumen

Nombre Símbolo Equivalencia

Litro L , l 1000 ml

Mililitro mL , ml

Microlitro L , l 10-6

l

Un caso de lectura de una etiqueta de una mezcla acuosa es el antiséptico bucal nombrado “Bucofaringe”. 100,0 ml de mezcla contienen 8,0 g de yodo-polivinilpirrolidona (PVPI) disueltos en agua, si la densidad de la mezcla es de modo aproximado 1,20 g/ml, la masa de la mezcla es 120,0 g, es decir la mezcla se constituye de 8,0 g de PVPI y de 112,0 g de H2O. Otro caso, es la lectura del empaque del antibiótico denominado “Clavulin”: una tableta de masa 1,103 g contiene aproximadamente 500,0 mg de amoxicilina base, 125,0 mg de clavulanato de potasio y excipientes 478,0 mg [excipientes son aditivos inertes (sustancias no reactivas) para dar consistencia a la tableta).

La composición de las mezclas es variable y la variación de las cantidades de mezcla y de cada uno de sus componentes, es regida por los intereses particulares que en un determinado contexto social deciden los criterios de formación y composición. El que la composición de la mezcla sea variable, alude, por ejemplo, a mezclar dos sustancias y la mezcla puede prepararse en múltiples relaciones diferentes de soluto y de solvente, como puede analizarse de los datos de la tabla 3.

Las mezclas de procedencia natural como las arcillas y demás mezclas de minerales; el agua marina y el agua de lagos y ríos; los frutos; el petróleo, el carbón y el gas natural entre otras, se han formado en cantidades gigantescas en el proceso de evolución del sistema solar y en particular de nuestro planeta. Estos recursos naturales en la producción moderna tienen la misión de ser la materia prima de numerosos procesos industriales y de grandes proyectos de investigación científica y tecnológica.

El proceso de explotación de los recursos naturales se fundamenta en la obtención de varias toneladas del material con fines industriales y comerciales. A niveles más particulares, pequeñas muestras de recursos naturales son motivo de colecciones personales y en los museos. La pequeña industria, el trabajo doméstico, droguerías, panaderías, talleres de soldadura, pinturas y otros renglones de la economía, preparan mezclas y trabajan con ellas en su actividad cotidiana. Con fines de enseñanza y aprendizaje se preparan mezclas, relativamente simples, para ser estudiadas por los alumnos y constituir una clase de actividades importantes a tener en cuenta en el proceso de reconstrucción y construcción de nuevos conocimientos químicos.

18


Actividad 1

a) Coleccionar empaques de leche, galletas, gaseosas, medicamentos, crema

dental y confites entre otros. Leer con atención la composición del material e identificar los componentes y la composición. Completar la tabla 7.

b) Escribir conclusiones respecto a tu significado de mezcla.

Tabla 7 Composición de mezclas

MATERIAL COMPOSICIÓN APARIENCIA HOMOGÉNEA

APARIENCIA HETEROGÉNEA

FASE (S)

Actividad 2. Seleccionar el producto comercial “leche” y desde la lectura del empaque:

a) Identificar los componentes de la mezcla y sus cantidades. b) Construir una tabla con los datos anteriores. c) Centrifugar un pequeño volumen de leche y según el resultado clasificar La mezcla, como

homogénea o heterogénea. d) Adicionar una gota de limón o de ácido clorhídrico HCl(ac) a un volumen definido y luego

una gota de jabón líquido. Clasificar la mezcla. e) Determinar la cantidad en gramos del componente agua líquida en un litro de leche y en ¼

de litro. f) Determinar la cantidad en porcentaje del componente agua líquida en un litro de leche y en

¼ de litro. g) Escribir conclusiones acerca del material denominado leche.

Actividad 3. Si la solubilidad de hidróxido de sodio NaOH(s) en H2O(l) es 109,0g/100,0gH2O proponga la relación entre cantidades para diseñar la preparación de:

Una solución saturada: ------- g de soluto, ------- g de solvente, ------- g de mezcla.

Una solución insaturada: ------- g de soluto, ------- g de solvente, ------- g de mezcla.

Una mezcla heterogénea: ------- g de soluto, ------- g de solvente, ------- g de mezcla.

Actividad 4. Si la solubilidad del bicarbonato de sodio NaHCO3(s) en H2O(l) es 10,0g/100,0gH2O proponga relaciones entre cantidades para diseñar la preparación de:

a) Una solución saturada:-------g de soluto, ------g de solvente, -------g de mezcla. b) Una solución insaturada: ------- g de soluto, ------- g de solvente, ------- g de mezcla.

19


c) Una mezcla heterogénea: ------- g de soluto, ------- g de solvente, ------- g de mezcla.

d) Describe como proceder para preparar las mezclas y prepararlas.

Actividad 5. Escribe tu reflexión acerca del significado de los conceptos material, sustancia y

mezcla. ¿Cuál es tu avance con respecto al inicio de la unidad?

Actividad 6. Elabora un mapa conceptual con las palabras concepto: material, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, sustancia, solubilidad.

2.8 Coloides

En anteriores sesiones se ha trabajado con la clasificación de las mezclas en dos grandes grupos: homogéneas y heterogéneas. Las mezclas homogéneas son aquellas constituidas como una fase ya sea gaseosa, líquida o sólida y toman el nombre de solución, por ejemplo, una muestra de aire no contaminado [ N2(g), O2(g), CO2(g)...], una solución diluida de cloruro de sodio [NaCl(ac)], una solución diluida de hidróxido de potasio[KOH(ac)], una aleación oro-cobre [Au, Cu], una aleación cobre-zinc [Cu, Zn].

Las mezclas heterogéneas son aquellas constituidas como dos o más fases. Una clase de mezclas heterogéneas son las llamadas coloides. Un coloide es una dispersión de partículas de una o varias sustancias, la fase dispersa, en un medio llamado dispersor, este medio es una sustancia en una fase definida.

Los Coloides aunque a simple vista su apariencia es homogénea, la percepción de ellos con atención y/o por medio de instrumentos permiten la identificación de los componentes en su respectiva fase ya sea gaseosa, líquida o sólida. La tabla 8 identifica clases de Coloides, la correspondiente fase dispersa y medio dispersor, así como algunos ejemplos de cada caso.

Tabla 8 Clasificación mezclas heterogéneas denominadas coloides

CLASE DE COLOIDES

FASE DISPERSA

MEDIO DISPERSOR

EJEMPLOS

Aerosol Líquido Gas Bruma, niebla

Aerosol Sólido Gas Humo

Espuma Gas Líquido Crema batida

Emulsión Líquido Líquido Mayonesa

Sol (suspensión)

Sólido Líquido Leche de magnesia

Espuma Gas Sólido Espumas plásticas

Gel Líquido Sólido Gelatina, mantequilla

Sol sólido (Suspensión

sólido) Sólido Sólido

Algunas aleaciones (acero), piedras preciosas, vidrio con metales dispersos

20


Actividad 7.

A. Preparación de emulsiones: a) Tomar cantidades representativas de agua y aceite, mezclar y agitar. b) Clasificar de modo argumentado el producto y dialogar respuestas en grupo. c) Tomar cantidades representativas de aceite y de una solución jabonosa, mezclar y agitar. d) Clasificar de modo argumentado el producto y dialogar respuestas en grupo. e) adicionar NaCl(s) o HCl(ac), de modo lento y con agitación continua, al producto del ítem c. f) Clasificar de modo argumentado el producto y dialogar respuestas en grupo.

B. Preparación de espumas: a) Tomar una cantidad representativa de H2O(l) en un frasco con tapa y agitar. ¿Qué percibes? b) Tomar una cantidad representativa de solución jabonosa en un frasco con tapa y agitar. ¿Qué percibes. c) Tomar una cantidad representativa de solución jabonosa hasta rebosar el frasco con tapa y agitar. ¿Qué percibes? d) Argumenta la percepción en cada caso, así como las diferencias.

Actividad 8. De la colección de materiales del aula de clase organizar tres clasificaciones y representarlas por medio de diagramas de Ven.

Con el propósito de profundizar en el tema se plantea a continuación la tarea 1:

TAREA 1

1. Un blanqueador comercial líquido de densidad 1,2 g/ml, tiene en su composición 5% p/v (peso a volumen) de hipoclorito de sodio NaClO disuelto en agua H2O(l). Los demás componentes son silicato de sodio (I) Na2SiO4 y carbonato de sodio (I) Na2CO3 también disueltos. En un empaque del blanqueador de 900 cm3 ¿Cuántos gramos de NaClO están disueltos y con cuántos gramos de H2O(l) se prepara la mezcla si de los demás componentes son 2.0 g? Representa de modo simbólico la mezcla.

2. Una aleación es una solución sólida metálica, la cual se prepara mezclando los metales fundidos, homogenizando y luego enfriando de modo controlado hasta obtener la mezcla en fase sólida. Si una aleación de bismuto Bi, plomo Pb y estaño Sn se prepara fundiendo en un recipiente 5,3 g de Bi(s), 3,2 g de Pb(s) y 1,5 g de Sn(s): a) ¿Cuál es la composición porcentual de la aleación? b) ¿Cuántos g de metal de cada clase se necesita para preparar 40,0 g de aleación? c) ¿Qué masa de aleación puede prepararse con 2,1 g de estaño metálico? Representa de modo simbólico la mezcla.

3. Una muestra de crema para el cutis con masa de 8,41 g perdió 5,83 g de humedad H2O(vap) al calentarla a 110ºC. El residuo se trató con agua y, una vez seco, había perdido 1,27 g de glicerol soluble en agua. El resto eran aceites. Determina la composición de la crema: % de humedad, % de glicerol, % de aceites.

4. Si la solubilidad del yoduro de plata en agua es 3,5 moles/litrodisolución, ¿Cuál es la solubilidad en g/L? Escribe una ecuación química para representar la situación.

5. Si la solubilidad del bromuro de talio (I) a 25ºC es 0,0523 g por 0,100 L de disolución, ¿Cuál es la molaridad de la disolución? Escribe una ecuación química para representar la situación.

6. Si la solubilidad del fosfato de cadmio (II) en agua a 20ºC es 1,15x10-7 M: a) Escribe la ecuación química para representar la situación. b) ¿Cuántos g de soluto disuelto en la disolución saturada se tienen si se dispone de 1 L de solución? ¿0.5? ¿0.1L?

7. Completar la siguiente tabla para mezclas acuosas y escribir la ecuación química para representar cada situación:

21


Sustancia Solubilidad g/Lsolución

g de soluto 0,5 L solución

saturada

g de soluto 1,5 L solución

saturada

G de soluto 2.0 L solución

saturada

CaSO4

Sulfato de calcio (II)

0.67

PbCrO4

Cromato de plomo (II)

4,5x10-5

Cu(OH)2

Dihidroxido de cobre

(II)

1,8x10-5

8. Plantea para cada uno de los casos de la tabla anterior, en qué situación se presentaría precipitación?

9. Para preparar un adhesivo soluble en benceno (C6H6) se funden 49,0 g de una resina en un recipiente de hierro (Fen) y se le adicionan 28,0 g de goma de laca y 28,0 g de cera de abejas. ¿Cuántas libras de de cada componente habrá que utilizar para preparar 72 libras de dicho adhesivo?

10. ¿Cuánto dicloruro de bario se necesitará para preparar 250,00 mL de una disolución que tenga la misma concentración de anión cloruro Cl- que otra que contenga 3,78 g de cloruro de sodio por 100,00 mL? Escribe ecuaciones químicas para representar cada situación.

11. Un litro de leche pesa 1,032 g. La nata que contiene en una proporción del 4% en volumen tiene una densidad de 0,865 g/mL. ¿Cuál es la densidad de la leche desnatada?

12. Se pasa amoníaco gaseoso NH3(g) a través de agua para obtener una disolución de densidad 0.93 g/mL y al 18,6 % en peso de amoníaco. ¿Cuál es la masa de amoníaco por mL de disolución?

13. ¿Cuántos mL de una disolución que contiene 40,0 g de dicloruro de calcio por litro se requieren para reaccionar con 0,642 g de carbonato de disodio puro? En la reacción se forma carbonato de calcio.

14. ¿Cuántos gramos de carbonato de disodio se necesitan para preparar 500,0 mL de una disolución que contenga 100,0 mg del anión carbonato por mL?

15. Un preparado excelente para limpiar manchas de grasa en tejidos o cuero se compone de 80,0% en volumen de tetracloruro de carbono, 16,0% de ligroina y 4,0% de alcohol amílico. ¿Cuántos cm3 habrá que tomar de cada sustancia para obtener 75,0 cm3 de disolución?

16. ¿Cuántos mL de una disolución de concentración 100,0 mg de Co3+(ac) por mL se necesitan

para preparar 1,5 L de disolución de concentración 20,0 mg de Co3+(ac) por mL?

17. ¿Qué volumen de etanol al 95,000% en peso y de densidad 0,809 g/mL debe utilizarse para preparar 150,0 mL de etanol al 30,000% y de densidad 0,957 g/ml?

18. Escribe tu significado para sustancia y mezcla homogénea y profundiza en la diferencia entre composición invariante y variable, mezcla y combinación química, metodologías de separación y reacción química.

19. Escribe tu significado para concentración [ ] de una disolución.

20. Elabora un mapa conceptual con los conceptos tratados para el aprendizaje.

22


2.9 Composición de las sustancias

En la sesión anterior se han diferenciado y relacionado los conceptos mezcla y sustancia. Las mezclas se constituyen con sustancias. ¿De qué se constituye una sustancia? El análisis químico elemental cualitativo y cuantitativo es la ruta experimental que define la composición elemental de las sustancias. Los químicos han creado y refinan métodos de análisis químico elemental, por medio de los cuales definen qué elementos químicos y que porcentaje, en masa, de cada uno constituyen una sustancia.

Composición cualitativa de una sustancia se refiere a la clase de elementos que la constituyen y composición cuantitativa, a la cantidad en masa de cada elemento en la sustancia. La composición de la sustancia es cualitativa y cuantitativa, es identidad química.

Método de análisis químico elemental se interpreta como una serie de operaciones químicas, en ciertos contextos, de descomposición de una sustancia en otras de naturaleza simple, las cuales informan y permiten inferir la composición cualitativa y cuantitativa de la sustancia9.

A diferencia de las mezclas, la composición de una sustancia es invariante y la composición de una mezcla es variable. La composición de una mezcla puede variarse según el propósito de su utilización en un contexto específico; la composición de una sustancia es invariante cualquiera sea el ambiente. Si la composición de una sustancia es modificada en un ambiente determinado, la sustancia se ha transformado en una nueva o en nuevas sustancias (sustancias producto) con composición diferente a la sustancia inicial.

Composición de una sustancia es una propiedad química denominada identidad química, transformarse una sustancia en otra u otras diferentes es cambiar de identidad química. Cambiar de identidad química es una propiedad química que corresponde a las llamadas reacciones químicas.

La sustancia agua, constituida de los elementos hidrógeno y oxígeno, 88,88% en masa de oxígeno y 11,12% en masa de hidrógeno. Esta identidad química o relación de composición, es invariante para cualquier cantidad de agua en cualquier ambiente, llámese planeta Tierra o planeta Júpiter, sea el agua destilada y desionizada mediante procedimientos de laboratorio, o sea el agua como componente de una mezcla. Una solución insaturada y acuosa de cloruro de sodio [NaCl(ac)], puede prepararse en un número indefinido de veces la relación de cantidades soluto-solvente en un contexto específico o en ambientes diferentes: {g(cloruro de sodio)/g(agua), gNaCl/gH2O; o también podría expresarse

9 Descomposición de una sustancia es el nombre dado a las reacciones químicas de descomposición, por ejemplo, la descomposición de una sustancia compuesta en otras más simples: H2O(l) por electrolisis se descompone en H2(g) y O2(g,) ; la determinación cuantitativa de esta operación informa mediante mediciones e inferencias que la composición del agua es 88,88% en masa de oxígeno y 11,12% de hidrógeno. Nótese que la descomposición de una sustancia es cambio de identidad química.

23


[g(soluto)/g(mezcla)], [gNaCl/(gH2O+gNaCl)], o en porcentaje por masa de cada sustancia en el total de masa de la mezcla.

La mezcla cloruro de sodio acuoso puede localizarse o prepararse, según la demanda del contexto, en una variedad muy amplia de concentraciones, por ejemplo, NaCl(ac) puede entre otras, tener las siguientes composiciones: NaCl(ac) al 10,0%, NaCl(ac) al 12,0%, NaCl(ac) al 19,0%, NaCl(ac) al 27,50%, NaCl(ac) al 36,7%, NaCl(ac)] 43%, NaCl(ac) al 56,87%, NaCl(ac) al 63,0%. Al identificar las sustancias cloruro de sodio y agua, mediante operaciones químicas de descomposición, la composición de NaCl siempre es Na 39,44% y Cl 60,66%, y la del H2O, O 88,88 H 11,12%. Y la mezcla {NaCl(ac}, puede ser sometida a operaciones químicas, llamadas métodos de separación, con el propósito de aislar las sustancias NaCl y H2O.

En este contexto, una sustancia está significada como constituida por la combinación química de elementos y expresada ésta, como una relación de composición cualitativa y cuantitativa invariante, denominada identidad química, la cual a su vez se representa por una fórmula química denominada fórmula química de composición. Una fórmula química de composición representa la identidad química de una sustancia: los elementos que la constituyen y la cantidad de cada elemento constituyente. La tabla 9 ofrece información sobre la composición de algunas sustancias.

2.10 Fórmula química

Según la información de la tabla 9, surgen nuevas palabras químicas para referirse a la identidad química de una sustancia: mol, masa molar (M), fórmula química. Identidad química, o composición invariante de una sustancia, o composición definida de una sustancia, es representada con un símbolo químico denominado fórmula química de composición10.

La fórmula química representa la composición de una vez el mol de sustancia; a un mol de sustancia le corresponde la masa molar (M). Al hacer referencia a la cantidad mol de sustancia, la lectura de la fórmula química de composición, se realiza en términos del número de veces el mol de cada clase de elemento.

Algunos casos de lectura de fórmulas químicas de composición son los siguientes: Un mol de agua H2O significa la combinación química de dos veces el mol del elemento hidrógeno y una vez el mol del elemento oxígeno para la relación de mol de cada elemento H/O : 2/1. Un mol de amoníaco NH3 significa la combinación química de una vez el mol del elemento nitrógeno y tres veces el mol del elemento hidrógeno para la relación de mol de cada elemento N/H : 1/3.

10

Las fórmulas químicas de composición se clasifican en relativas y moleculares. Fórmula relativa hace referencia a una relación simplificada con respecto a la información dada por la estructura molecular; la fórmula molecular, hace referencia a la relación correspondiente con la información suministrada por la estructura molecular.

24


Realiza el análisis de composición y completa las tres últimas filas de la tabla 9.

Tabla 9 Identidad química de sustancias.

SUSTANCIA COMPOSICIÓN

(% masa elemento)

MASA MOLAR

11

(g/mol)

FÓRMULA QUÍMICA

Dioxígeno O 100,00 32,00 O2

Trioxígeno(ozono) O 100,00 48,00 O3

Dinitrógeno N 100,00 28,02 N2

Dihidrógeno H 100,00 2,01 H2

Octazufre S 100,00 256,48 S8

Tetrafósforo P 100,00 123,88 P4

Argón Ar 100,00 39,95 Ar

Cobre metálico Cu 100,00 63,55 Cun

Hierro metálico Fe 100,00 55,85 Fen

Sodio metálico Na 100,00 22,99 Nan

Óxido de dihidrógeno (agua)

O 88,88 H 11,12 18,03 H2O

Cloruro de sodio Na 39,44 Cl 60,66 58,44 NaCl

Carbonato de disodio C 74,87 H 25,13 16,04 Na2CO3

Dióxido de carbono C 27,29 O 72,71 44,01 CO2

Dihidróxido de calcio Ca 54,09 O 43,18 H 2,72 74,10 Ca(OH)2

Metano C 74,14 H 25,16 16,04 CH4

Etano C 79,88 H 20,12 30,07 C2H6

Sacarosa (azúcar) C 42,10 H 6,48 O 51,42 342,30 C12H22O11

Propano 44,10 C3H8

Etanol 46,07 C2H5OH

Amoníaco 17,03 NH3

Analiza y escribe el significado de las siguientes fórmulas químicas de composición:

a) H2SO4 Sulfato de dihidrógeno b) HCl Cloruro de hidrógeno c) PCl5 Pentacloruro de fósforo Cloruro de fósforo (V) d) CaO Óxido de calcio e) SO3 Trióxido de azufre Óxido de azufre (VI) f) CO2 Dióxido de carbomo g) MgS Sulfuro de magnesio h) FeS Sulfuro de hierro (II) i) NH4OH Hidróxido de amonio

11

Masa molar (M), es la masa correspondiente a un mol de sustancia, expresada como g/mol. De modo

operativo, su magnitud se obtiene como la sumatoria de la masa molar de cada elemento constituyente de la

sustancia n

iciasus mM1

tan o Msustancia = Melemento1 + Melemento2 + Melemento3 +… La masa molar de cada elemento

se lee en un formato de tabla periódica.

25


j) Al(OH)3 Trihidróxido de aluminio Hidróxido de alumnio (III) k) KNO3 Nitrato de potasio l) CH4 Metano ll) C2H6 Etano


TAREA 2

1. Reflexiona de nuevo los significados, relaciones conceptuales y diferencias para los conceptos sustancia, sustancia básica (elemento), simple y compuesta, mezcla, mezcla homogénea y heterogénea, combinación química, disolución, clases de disoluciones, coloide, clases de coloides.

2. Reflexiona los significados, relaciones conceptuales y diferencias para los conceptos cantidad

de sustancia en gramos, cantidad de sustancia en mol, cantidad de sustancia en gramos/mol (masa molar), número de Avogradro.

3. Reflexiona los significados, relaciones conceptuales y diferencias para los conceptos, sustancia, fórmula química de composición (relativa y molecular), átomo (molécula mononuclear) y molécula (molécula polinuclear).

4. Reflexiona acerca de los significados de los aspectos cualitativo y cuantitativo de una fórmula química.

5. Elabora un mapa conceptual con los conceptos enunciados en los numerales anteriores.

6. Completa la siguiente tabla:

SUSTANCIA NOMBRE NÚMERO DE VECES LA MOL

NÚMERO DE VECES LA MOLÉCULA

MASA EN GRAMOS

BrCl 1,00

NH4OH 0,25

AlF3 57,5

SO2 6,02x1018

C2H5OH 1,50

Ca3(PO4)2 3,01x1024

C6H6 5,2

K2O2 2,79x10-5

P4O6 8,75x1013

Cs2(SO4) 10-2

CH3COCH3 5,8x103

Rb2S 6,02x1023

7. Determina el número de gramos de oxígeno en cada una de las siguientes situaciones:

a. 2,5 veces la mol de fosfito de trihidrógeno. b. 1,5 Kg de peróxido de hidrógeno. c. 2,75 libras de oxicloruro de hidrógeno. d. 8000 mg de dihidróxido de magnesio.

e. 22,5 milimoles de sulfato de cobre pentahidratado. f. 10-3 veces la mol de butanol.

26


8. El análisis de un cloruro metálico XCl3 mostró que contiene 67,2% en masa de cloro. Determina la masa molar del metal e identifica el elemento. Representa mediante ecuaciones químicas.

9. Una barra de hierro metálico tiene una masa de 664,0 g. Después de que la barra ha estado a la intemperie durante dos meses, exactamente una novena parte del hierro se ha convertido en herrumbre [F2O3(s)]. Determina la masa final de hierro y de herrumbre. Representa mediante ecuaciones químicas.

10. La gasolina con plomo contiene un aditivo que actúa como “antidetonante”. El análisis químico del aditivo informa que este contiene carbono, hidrógeno y plomo. Cuando se queman 51.36 g de esta sustancia se producen 55.90 g de CO2 y 28.61 g de H2O. Determina la fórmula empírica del aditivo. Representa mediante ecuaciones químicas.

11. El aminoácido lisina esencial en el cuerpo humano, contiene C, H, O, N. En un análisis químico, la combustión completa de 2,175 g de lisina generaron 3.94 g de dióxido de carbono gaseoso y 1,89 g de agua gaseosa. En un análisis químico diferente, 1,873 g de lisina produjeron 0,436 g de amoníaco. a) Representa mediante ecuaciones químicas las situaciones; b) determina la fórmula empírica de la lisina; c) Si la masa molar de la lisina es de modo aproximado 150,0 g, determina la fórmula molecular.

12. La sustancia hemoglobina de fórmula química C2952H4664N812O832S8Fe4 es la responsable de transportar el oxígeno en la sangre. a) determina la masa molar.

13. Un material contaminado de zinc metálico, se trata con un exceso de ácido sulfúrico para formar un precipitado de sulfato de zinc y dihidrógeno gaseoso. a) Plantea una ecuación química para representar la situación; b) Si se obtienen 0,0764 g de dihidrógeno a partir de 3,86 g del material, determina el porcentaje de pureza de la muestra.

14. El fertilizante sulfato de amonio (soluble en agua), se prepara por medio de la reacción entre amoníaco y ácido sulfúrico. a) Plantea una ecuación química para representar la situación; b)

¿Cuántos Kg de amoníaco se requieren para producir 1,00x105 Kg de fertilizante; c) Si el fertilizante se distribuye comercialmente en la forma sólida, ¿Qué operaciones químicas realiza una industria que lo produzca?

2.11 Sustancia simple y sustancia compuesta

La información de la tabla 9, permite percibir que la composición de una sustancia puede ser de una sola clase de elemento, H2 – O2 – S8 - Cun – Ar – N2 – P4 – Kr – Nan – Znn o de dos o más clases de elemento, H2O - NaCl - C2H5OH - C2H5NH2 – C2H4O2 – Na2S - K3[Fe(CN)6]. Según la clase o clases de elemento que constituya(n) la sustancia, ésta se clasifica como sustancia simple o sustancia compuesta. Sustancia simple constituida de la combinación de una clase de elemento, sustancia compuesta constituida de la combinación de dos, tres o más clases de elementos. Las operaciones químicas que responden por la composición de la sustancia son las reacciones químicas de descomposición y el análisis cualitativo y cuantitativo que permite identificar los elementos constituyentes de una sustancia.

27


Progreso conceptual del significado de sustancia

La sustancia significada como material homogéneo caracterizado por un conjunto de propiedades en contexto, es ampliado y profundizado, al considerar el concepto de composición de la sustancia como una cualidad química que tiene la característica de ser invariante o definida. De este modo, se significa la sustancia como material homogéneo de composición invariante (o definida) y caracterizado por un conjunto de propiedades químico-físicas en contexto.

Propiedades en contexto de la sustancia requiere de reflexionar acerca de la sustancia en fase sólida, líquida y gaseosa. Según las condiciones de presión y temperatura una sustancia se presenta en fase sólida, o líquida o gaseosa o como una mezcla de dos fases o de las tres, por ejemplo: {H2O(l), H2O(s)}, {H2O(l), H2O(g)}, {H2O(l), H2O(g), H2O(s)}, {H2O(g), H2O(s)}. A temperatura ambiente, un recipiente tapado que contiene agua, ésta se presenta tanto en la fase líquida como en la fase vapor. Una sustancia es a la vez una diversidad de ella, como se detalla en las tablas 10 y 11 para el agua.

Tabla 10 Propiedades físicas del agua, H2O

Fase Calor

específico J/gºC

Densidad g/mL

Tf 1at,

ºC

Te 1at, ºC

Presión de vapor mmHg

Polaridad D

∆Hfus kcal/mol

∆Hvap kcal/mol

Sólida (-3ºC) 2,092

0,99987 0 4,579 (0ºC) 1,44

Líquida

(14.5ºC) 4,184

1.00000 (4ºC)

0,99707 (25ºC)

100 17,335 (20ºC)

1,85 9,74

Gaseosa

(14.5ºC) 1,841

0,95838 (100ºC)

g/m: gramos/mililitro; mmHg: milímetros de mercurio; ºC: grado centígrado; D:Debye; Kcal/mol:

kilocaloría/mol; H: Entalpía; J/gºC: Julio/gramo grado centígrado.

Tabla 11 Propiedades químicas del agua, H2O

H2O Composición % en

masa Electrolisis

H2O(g) 88,88 oxígeno

11,12 hidrógeno

2H2O(l)O2(g) + 2H2(g) Em medio ácido

H2O(l) 88,88 oxígeno

11,12 hidrógeno

H2O(s) 88,88 oxígeno

11,12 hidrógeno

28


Actividad 9. Escribe tu reflexión acerca del significado de los conceptos sustancia y mezcla homogénea. ¿Qué dificultades tienes para diferenciarlos? Plantea dos casos de sustancia y dos de mezcla homogénea.

Actividad 10. Elabora un mapa conceptual con los términos: material, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, sustancia, solubilidad, composición variante, composición definida, fórmula química.

Actividad 11. Plantea fórmulas químicas para sustancias simples y para sustancias compuestas.

Actividad 12. Teniendo como referente un formato de la tabla periódica, selecciona diez elementos y plantea la fórmula química para representar la respectiva sustancia simple.

Actividad 13. Teniendo como referente un formato de la tabla periódica:

a) Identifica sustancias simples metálicas, no metálicas y semimetálicas. b) Identifica metales representativos, metales de transición y metales de transición interna. c) Identifica: halógenos, gases nobles, metales alcalinos y alcalinotérreos.

Actividad 14. Consulta información respecto a las propiedades de metales, no metales y semimetales. Plantea un cuadro comparativo de dichas propiedades.

2.12 Clasificación de Sustancias simples y compuestas

Como se ha anotado con anterioridad, las sustancias químicas son los componentes de las mezclas y han sido definidas de un modo operatorio, como el cuerpo químico o sustancia en una fase definida, obtenido mediante procedimientos de separación en un contexto específico y cuyas propiedades son reproducibles en contextos similares.

Antes de avanzar al conocimiento acerca de las propiedades de las sustancias y de cómo obtenerlas mediante procesos de separación, avanzaremos en el tema relacionado con la clasificación de las sustancias en simples y compuestas y su representación en términos de fórmulas químicas de composición o moleculares.

Las sustancias (comúnmente llamadas puras) son clasificadas como simples y compuestas en términos de la clase de elementos combinados, ya sea de una clase o de dos o más clases.

Las sustancias simples son clasificadas en metálicas, metaloides y no metálicas. Ejemplos de sustancias metálicas son sodio sólido {Na(s) o Nan}, potasio sólido {K(s) o Kn}, hierro sólido {Fe(s) o Fen}, calcio sólido {Ca(s) o Can}; de sustancias no metálicas son octazufre sólido {S8(s) o S8(n)}, tetrafósforo sólido {P4(s) o P4(n)}, carbono diamante {C(s) o Cdiam o Cn}, carbono grafito {C(s) o Cgraf o Cn}, dioxígeno gaseoso {O2(g)}}, dinitrógeno gaseoso {N2(g)}, dicloro gaseoso {Cl2(g)}, dihidrógeno gaseoso {H2(g)}; son metaloides o semimetales, galio sólido {Ga(s) }, {In(s)}, {As(s)}. El cuadro 1 representa la clasificación antes enunciada.

Las sustancias compuestas son clasificadas en términos de funciones químicas. Una función química representa una clase de comportamiento químico. Una función química es representada por un grupo de elementos químicos

29


combinados, que ocurre en una serie de compuestos. Una función química, también nombrada grupo funcional, permite identificar una clase de sustancias que presentan similaridad en su comportamiento químico y en algunas propiedades físicas. Reconocer una función química es identificar sustancias para ser clasificadas como una clase particular de sustancias o como una familia de sustancias, a la cual corresponde un grupo de propiedades químicas y físicas que permiten diferenciarla de otra familia de sustancias.

Un grupo funcional se expresa mediante un símbolo que representa uno, dos o más elementos combinados en proporciones definidas. Por ejemplo: anión

cloruro Cl; anión fosfato PO43-; anión sulfato SO4

2-; catión amonio NH4+; anión

carbonato CO32-.

Actividad 15:

a) Poner las palabras conectores al esquema del cuadro 3 y leer un mapa conceptual. b) Organiza una colección de materiales, realiza una clasificación química y represéntala por

medio de un diagrama de Venn. c) La tabla 12 lista funciones químicas, completa esta con los respectivos nombres.

Cuadro 3 Clasificación sustancias simples y compuestas

Tabla 12 Funciones químicas

FUNCIÓN SÍMBOLO EJEMPLOS NOMBRE

ALDEHIDO C O

R

H

HCHO(l), C2H5CHO(l)

CARBONATO CO3

2– CaCO3(s), Na2CO3(s),

Li2CO3(s),

Sustancia

Simple Compuesta Básica

Metálica Semimetal No metálica

Función química

30


CETONA C O

R

R'

CH3COCH3(l)

C2H5COC2H5(l)

CIANURO CN–

KCN(s), NaCN(s)

FOSFATO PO4

3–

Ca3 (PO4 )2 (s) , Na3PO4(s),

Li3PO4(s),

HALUROS:

Cloruro

Bromuro

Fluoruro

Yoduro

Cl–

Br–

F–

I–

LiCl(s), NaCl(s), KCl(s),HCl(g),

HBr(g), OF2(g), LiF(s), HF(g), HI(g),

CCl4(l), CaCl2(s), MgCl2(s),

BaCl2(s), RbI(s), SbCl3(s), AlCl3(s),

BCl3(s), SF6(g), PCl5(l), TlCl2(s)

HIDRÓXIDO OH–

NaOH(s), Mg(OH)2(s), Ca(OH)2(s),

CsOH(s), Tl(OH)3(s), Sr(OH)2(s)

{CO(OH)2 o H2CO3}

{NO2(OH) o HNO3}

{PO(OH)3 o H3PO4}

{Si(OH)4 o H4SiO4}

{SO2(OH)2 o H2SO4}

HIDRURO H–, H

+ NaH(s), CaH2(s), PH3(l), SbH3(s)

NITRATO NO3-

Ca(NO3)2(s), NaNO3(s)

LiNO3(s), KNO3(s), Mg(NO3)2(s),

ÓXIDOS:

Óxido

Peróxido

Superóxido

O2–

O2

2–

O–

2

Na2O(s), CO2(g) SO3(g), Cl2O7(l),

P4O6(s), P5O10(s), SiO2(s), MnO2(s)

K2O(s),

Na2O2(s), K2O2(s),

KO2(s), RbO2(s),

SULFATO SO4

2–

CaSO4(s), Na2SO4(s),

Li2SO4(s), K2SO4(s), MgSO4(s),

V(SO4)(s)

SULFURO S2–

Na2S(s), K2S(s), Cãs(s)

31


2.13 Introducción al concepto de sustancia básica o elemento químico

El trabajo experimental en química es la vía que permite la obtención de las sustancias simples a partir de las sustancias compuestas, por medio de métodos químicos de descomposición, los cuales implican un cambio de identidad de las sustancias. Un caso, es la electrólisis del agua líquida, sustancia pura compuesta, para obtener las sustancias puras simples dihidrógeno y dioxígeno gaseosos.

Las sustancias simples están caracterizadas por un conjunto de propiedades físicas y químicas y son obtenidas desde las sustancias compuestas mediante transformaciones químicas.

La sustancia dioxígeno, O2, existe en la atmósfera terrestre como sustancia pura simple en fase gaseosa y está constituida por dos veces el elemento oxígeno. La sustancia compuesta agua, H2O, es la forma combinada de dos veces el elemento hidrógeno y una vez el elemento oxígeno. El oxígeno del agua no es de la misma forma que el oxígeno de la atmósfera terrestre. El oxígeno del agua está combinado con dos veces el elemento hidrógeno para formar una nueva sustancia, los elementos oxígeno e hidrógeno se combinan en una relación 1:2 para formar la sustancia agua.

El oxígeno de la atmósfera terrestre es el elemento oxígeno combinado a si mismo, para formar la sustancia dioxígeno, O2. El oxígeno del agua y el oxígeno terrestre, tienen algo en común que los identifica como oxígeno, el elemento oxígeno, es decir, el agua, está formada por una vez el elemento oxígeno combinado con dos veces el elemento hidrógeno H2O, el agua NO está constituida por la sustancia O2 y la sustancia H2, aunque se parte de ellas para formar a la sustancia agua. Las sustancias simples NO están en los compuestos, en los compuestos están los elementos. Entonces, ¿Qué es aquello que constituye a las sustancias simples y a las sustancias compuestas? Los elementos químicos. Los elementos químicos son los constituyentes químicos unitarios o básicos de las sustancias simples y de las sustancias compuestas.

Fritz Paneth, radioquímico y filósofo alemán de la primera mitad del siglo XX, llama al elemento químico “la sustancia básica” para diferenciarlo de sustancia simple y considerarlo como aquello que constituye a las sustancias simples y compuestas. Esta conceptualización corresponde a la categoría molar del conocimiento químico.

La ecuación química para representar la producción de agua gaseosa a partir de las sustancias simples dioxígeno y dihidrógeno gaseosos es la siguiente:

(g)2

ctricachispa_elé

2(g)2(g) O2H O2H

Para producir agua gaseosa se requiere mezclar las sustancias simples H2 y O2 en fase gaseosa y someter la mezcla a una chispa eléctrica, en el proceso de la

32


reacción química, un posible mecanismo es el rompimiento de la unidad molecular H2 y de la unidad molecular O2, en los elementos H y O respectivamente, los elementos en esta forma se combinan y forman la unidad H2O:

molkJHOHOH

molkJHOO

molkJH

formaciónggg

enlacegg

enlace

/8.285 224

/7.498 2

/4.436 4H2H

)(2)()(

)()(2

(g)2(g)

El concepto de elemento químico ha evolucionado en los más de doscientos años de la química moderna. Fue el químico Robert Boyle (1627-1691), quien a finales del siglo XVII, en su obra “El Químico Escéptico”, definió al elemento químico como el producto final del análisis químico; dado el desarrollo científico de la época el análisis químico llegaba a las sustancias simples como producto final. El progreso de la ciencia y la tecnología de los últimos doscientos años, ha permitido desarrollos más avanzados del análisis químico y de los modelos químicos, hasta alcanzar hoy en día como producto final, las formas isotópicas de los elementos o de los núcleos atómicos.

Investigaciones realizadas en el período 1896-1924 evidenciaron la composición de las moléculas por núcleos y electrones. Además, Los trabajos relacionados con espectros atómicos de rayos-x de las sustancias simples, llevados a cabo entre 1913 y 1915 por el físico inglés Henry Moseley (1887-1915), permitieron la creación del numero atómico (Z), número de protones en el núcleo,

como la característica nuclear esencial para dar significado al elemento químico. Esta conceptualización corresponde a la categoría eléctrica del conocimiento químico.

El elemento oxígeno (O) de número atómico 8 (Z = 8 protones), es la entidad fundamental de la sustancia simple dioxígeno (O2), el elemento hidrógeno (H) de número atómico 1 (Z = 1) es la entidad fundamental de la sustancia simple dihidrógeno (H2). El elemento oxígeno (Z = 8) combinado con el elemento hidrógeno (Z = 1) son las entidades fundamentales combinadas para constituir la sustancia compuesta agua H2O. Debe ser claro que para producir agua a nivel experimental, se procede desde los cuerpos puros simples dihidrógeno gaseoso, H2(g) y dioxígeno gaseoso, O2(g).

Los elementos hidrógeno y oxígeno pueden combinarse con otros elementos para formar sustancias compuestas. Por ejemplo, el elemento H se combina con el elemento carbono para formar metano CH4; con el elemento cloro para formar cloruro de hidrógeno HCl; con el elemento sodio para formar hidruro de sodio NaH; con el elemento azufre para formar sulfuro de dihidrógeno H2S. Estas sustancias compuestas son diferentes entre sí, poseen comportamientos físicos y químicos diferentes, tienen en común al elemento hidrógeno entre uno de sus constituyentes, es decir, al núcleo atómico identificado con un protón Z = 1 protón.

Actividad 16.

33


a) Identificar el elemento constituyente común en las siguientes fórmulas químicas de composición representativas de las sustancias

b) ¿Cuál es el número atómico del elemento común?; ¿Cuál es el número atómico de los demás elementos? ¿Cuál es el nombre de cada elemento?

c) Organizar una tabla de datos con la información obtenida desde las respuestas a las preguntas anteriores.

NaCl SO2Cl2 CCl4 FeCl3 CH3Cl [Cr(NH3)Cl2]OH HClO4 Cl2O7 PCl5 BaCl2 CuCl2 BCl3 MnCl2 [Ru(NH3)5(H2O)]Cl2 Cl2 C6H5Cl

Actividad 17. Construir un mapa conceptual con las palabras concepto: Elemento, sustancia, sustancia simple, sustancia compuesta, fase, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, propiedades químicas, propiedades físicas.


TAREA 3

1. Qué cantidad en gramos de cloruro de amonio sólido NH4Cl se requieren para preparar 100,0 ml de una disolución que tenga 67,5 mg de NH4Cl por ml. ¿En cuál propiedad de la solución te fundamentas para realizar la respectiva relación de proporcionalidad? ¿De acuerdo con la magnitud de la solubilidad del soluto, la solución es saturada o insaturada? Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

2. Se necesita preparar 100,0 gramos de una disolución de hidróxido de sodio NaOH al 1,7% en peso. ¿Cuánta cantidad en gramos de NaOH y H2O se requieren? ¿En cuál propiedad de la solución te fundamentas para realizar la respectiva relación de proporcionalidad? ¿De acuerdo con la magnitud de la solubilidad del soluto, la solución es saturada o insaturada? Escribe ecuaciones químicas para representar la situación

3. .¿Cuántos gramos de una disolución acuosa al 5% de NaCl se requieren para que su composición sea 3,2 g de NaCl? Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

4. Explica como prepararías 60,0 ml de una disolución acuosa de nitrato de plata AgNO3(ac)

cuya cantidad de soluto es 3x10-2 g. Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

5. Determina la masa de cloruro de hidrógeno HCl(g) disuelto en 5,00 ml de ácido clorhídrico HCl(ac) de densidad 1,19 g/ml que contiene HCl al 37,23 % en peso. Escribe ecuaciones químicas para representa la situación.

6. Determina el volumen de ácido sulfúrico concentrado H2SO4(c) de densidad 1,84 g/ml y 98% en peso de H2SO4, si H2SO4(c) contiene 40,0 g de la sustancia H2SO4. Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

7. El nitrato de sodio NaNO3 es un sólido iónico, es decir, cuando disuelve en agua disocia en iones: catión Na+

(ac) y anión NO3-(ac). Cuánto NaNO3 debe pesarse para preparar una disolución que

contenga 70,0 mg de Na+(ac) por litro de solución. ¿Cómo preparar la disolución? Escribe ecuaciones

químicas para representar la situación.

8. El tricloruro de cromo hexahidratado CrCl3·6H2O es un sólido iónico, es decir, cuando disuelve en agua disocia en iones: catión cromo (III) Cr3+

(ac) y tres veces el anión cloruro 3Cl-(ac).

Cuánto CrCl3·6H2O debe pesarse para preparar un litro de disolución que contenga 25,0 mg de Cr3+

(ac) por ml. ¿Cómo preparar la disolución? ¿En cuál propiedad de la solución te fundamentas para realizar la respectiva relación de proporcionalidad? Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

34


9. La sacarosa C12H22O11 es un sólido molecular, disuelve en agua pero no disocia C12H22O11(ac). Cuánto C12H22O11 debe pesarse para preparar una disolución que contenga 2,5x10-3g de soluto por litro de solución. ¿Cómo preparar la disolución? Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

10. Un adhesivo tratado mediante análisis químico dio los siguientes resultados: una muestra de 28,5 g al disolverla en acetona [C2H5COC2H5(l)] produjo un residuo de 4,6 g de aluminio en polvo. El filtrado, una vez evaporada la acetona y el disolvente, está formado de 3,2 g de nitrocelulosa que contiene 0,8 g de plastificante soluble en benceno [C6H6(l)]. ¿Es el adhesivo una mezcla o una sustancia? ¿De qué clase? Representa las diferentes situaciones químicas implicadas en el tratamiento del adhesivo para determinar su composición y expresa ésta para cada uno de sus componentes. (Para la representación puedes utilizar dibujos y ecuaciones químicas).

11. Un carbón contiene 2,4% en peso de agua. Después de secado, el residuo libre de humedad contiene 71,0% de carbono. ¿Es el carbón una mezcla o una sustancia? ¿De qué clase? Representa las diferentes situaciones químicas implicadas en el tratamiento del carbón para lograrlo seco y determina el porcentaje de carbono en la muestra húmeda. Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

12. Una arcilla es una mezcla de varios silicatos y uno de sus componentes principales es la sílice u dióxido de silicio SiO2(s). Si una arcilla contiene 45,0% de sílice y 10,0% de agua ¿Cuál es el porcentaje de sílice en la arcilla seca? Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

13. Una muestra granulada de una aleación para aviones [Al/Mg/Cu] o [Al, Mg, Cu] que pesaba 8,72 g se trató primero con KOH(ac) para disolver el aluminio, luego con HCl(ac) muy diluido para disolver el magnesio, quedando un residuo de cobre. El residuo después de calentar la muestra con el álcali pesaba 2,10 g y el residuo insoluble en el ácido procedente del anterior pesaba 0,69 g. ¿Es la aleación una mezcla o una sustancia? ¿De qué clase? Representa las diferentes situaciones químicas implicadas en el tratamiento de la aleación para determinar su composición y expresa ésta para cada uno de sus componentes. (Para la representación puedes utilizar dibujos y ecuaciones químicas).

14. Qué cantidad de una disolución de ácido sulfúrico H2SO4(ac) al 58% en peso se necesita para tener 150,0 g de sulfato de dihidrógeno H2SO4. Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

15. Se disuelve en ácido nítrico HNO3(ac) una moneda de plata de 5,82 g. Cuando se adiciona cloruro de sodio NaCl(s) a la disolución se precipita la plata como cloruro de plata AgCl. La masa del precipitado es 7,20 g. Representa las diferentes situaciones químicas implicadas en el tratamiento y determina el porcentaje de plata en la moneda. Escribe ecuaciones químicas para representar la situación.

35


3 DE LAS MEZCLAS A LAS SUSTANCIAS

3.1 Introducción

El tema de esta unidad hace referencia a considerar nuevas ideas para el concepto sustancia. Es bastante común la utilización de los términos “sustancia pura” o “sustancia de alta pureza” para referirse a la sustancia. Estos términos de alguna manera son un indicativo para dar sentido a que la sustancia con su característica de homogeneidad no está dada de modo natural y se requiere de un esfuerzo de purificación, esfuerzo materializado como una metodología de separación para conquistar o lograr la “sustancia pura”. Metodología de separación que requiere del conocimiento del material punto partida, de algunas propiedades de éste y de las sustancias que lo constituyen, conocimiento que permite diseñar la metodología de separación y lograr la sustancia de interés.

Los productos químicos de alta pureza (sustancia) También llamados “reactivos grado analítico” y distribuidos comercialmente, son generados en industrias químicas especializadas y son de alto costo. Estos productos son diferenciados de los llamados “productos comerciales”, los cuales son mezclas en muchos casos burdas y de bajo costo, para ser tratadas por metodologías de separación si hay el interés de obtener algún o algunos de sus componentes.

La pureza de una sustancia no es un absoluto, la pureza de una sustancia es relativa, el porcentaje de pureza de una sustancia depende del grado de operaciones de purificación realizadas, y según el límite de purificaciones, la sustancia tiene uno u otro precio en el mercado.

Se insiste de nuevo que la Química como una ciencia que transforma, no trata sólo de materiales y metodologías experimentales, trata también de la construcción de sistemas de conceptos, de modelos moleculares y de un lenguaje, para operar con éstos en la acción dirigida y relacionada con las metamorfosis de las sustancias. Lenguaje y modelos que también se transforman en las operaciones con las sustancias.

3.2 Objetivo

Reconocer y diferenciar significados para los conceptos: mezcla homogénea, “sustancia pura”, grado de pureza y método de separación, y aplicarlos, adecuadamente en situaciones químicas.

“…No se puede dejar de reconocer que la pureza de las sustancias pertenece al reino humano y no al reino natural. Es el hombre quien constituye en realidad el factor purificador…”

Gastón Bachelard, 1976.

36


3.3 Preguntas previas

a) ¿Puedo describir el significado de pureza de una sustancia?

b) ¿Puedo reconocer algún significado para metodología de separación o método de separación?

c) ¿Puedo identificar uno, dos o tres métodos de separación?

d) ¿Puedo nombrar dos o tres productos comerciales y su composición?

3.4 De las mezclas a las sustancias

En el mundo de la cotidianidad muchos de los materiales son mezclas burdas y confusas, por ejemplo una muestra de tierra, una piedra, una muestra de pantano o de arena. En la Química se trata de que a partir de estas mezclas y de otras, se puedan realizar operaciones para aislar y distinguir especies homogéneas, las especies químicas como las sustancias. Mediante el dominio progresivo de los métodos de purificación, el químico busca la sustancia homogénea, pone en tela de juicio la homogeneidad y la verifica, a tal punto que la cantidad 8,0g de agua y 13,0g de agua manifiestan la misma sustancia, es decir, manifiestan la identidad química y la reproducibilidad de las propiedades en contextos similares.

En la unidad primera, anotamos que una persona atenta a la lectura de un empaque de un “material comercial” o “producto comercial”, puede percibir por ejemplo, sulfato de cobre (CuSO4) al 70%. Esta lectura significa que el material es una mezcla en fase sólida y que por cada 100,0g de ésta, 70,0g corresponden a CuSO4 y 30,0g a otro material llamado comúnmente “impurezas”, el cual a su vez es una sustancia o una mezcla.

Otra lectura de un empaque comercial, “alcohol antiséptico” al 45% C2H5OH(ac), nos indica que el material es una mezcla homogénea en fase líquida y que por cada 100,0 ml de ésta, 45 ml son etanol C2H5OH(l) y 55 ml son H2O(l).

La tabla 13 detalla mezclas comerciales con el nombre común y su composición, completar la información para los casos anotados y el análisis de la composición porcentual.

Tabla 13 Composición porcentual de mezclas.

MEZCLA COMPOSICIÓN % masa LECTURA REFLEXIVA

Diablo rojo NaOH(s) 95,0 NaCO3(s) 1,0 Inertes 4,0 Limpiador NaOCl 5,6 H2O Vinagre Antiácido Aceite de cocina

Es necesario considerar una cuestión ¿Cómo diferenciar una solución de una sustancia? Recordemos que solución y sustancia son materiales homogéneos, pero que también son diferentes y se trata de reconocer a cada uno con la diferencia desde el conocimiento químico y sus metodologías experimentales.

37


En el mundo físico es muy poco frecuente la existencia, de modo natural, de sustancias puras, la regla general (no absoluta) es la existencia de mezclas heterogéneas y las homogéneas, en la mayoría de los casos, son preparadas vía artificial. Estamos rodeados y manipulamos los materiales principalmente en la forma de mezclas. Las mezclas se presentan en diferentes fases (sólida, líquida, gaseosa), y son de composición muy diversa.

Con el fin de utilizar las mezclas para obtener “sustancias puras”, una pléyade de químicos en el período 1680–1890 (Robert Boyle, Torbern O. Bergman, Joseph Priestley, Henry Cavendish, Antoine L. Lavoisier, Humpry Davy, Amadeo Avogadro, William Prout, Friedrich Wöhler, Joseph L. Gay-Lussac, Jans Jacob Berzelius, Claude L. Berthlollet, Justus von Liebig, Edward Frankland, Miailovich Butlerov y varios más), desarrolló una metodología para producirlas a partir de las mezclas. Estas son el punto de partida para obtener “sustancias puras”.

Las mezclas heterogéneas, tratadas por métodos de separación, dan lugar a una sustancia y/o a una solución. Las soluciones tratadas por ciertos métodos químicos de separación conducen a las “sustancias puras”. Una muestra de una sustancia química es llamada pura si ha habido un esfuerzo experimental de purificación del material mediante metodologías químicas de separación de las sustancias componentes de una mezcla, el cual ha sido diseñado de acuerdo a un conjunto de propiedades de la sustancia en un contexto definido.

Cuando afirmamos que las sustancias son logradas por métodos de separación o de purificación, el significado de purificación está dado como los varios métodos térmicos o de otra naturaleza: destilación, cristalización, sublimación, filtración, decantación, y difusión entre otros, a que son sometidas las soluciones de forma reiterada y de una manera adecuada en un contexto definido, para lograr de forma aislada cada una de las sustancias componentes.

Puede darse el caso para el cual el resultado no es una sustancia individual, es una nueva solución y ésta debe ser tratada en otro contexto, por métodos de separación aplicados de forma reiterada y adecuada, con el propósito de aislar sus componentes como sustancias puras. Los métodos de separación son el criterio subyacente para la obtención de sustancias aisladas con alto grado de pureza.

Este criterio es consecuencia de un gran número de resultados experimentales obtenidos hasta la época actual; los avances científicos y tecnológicos han contribuido, de un modo importante, a la refinación de las metodologías de separación, estas se han hecho menos largas y tediosas para muchas clases de soluciones.

Volvamos a la situación planteada anteriormente. Una persona atenta a la lectura de un empaque de un “material comercial” o “producto comercial”, puede percibir por ejemplo, sulfato de cobre (CaSO4) al 70%. Esta lectura significa que el material es una mezcla en fase sólida y que por cada 100,0g de ésta, 70,0g corresponden a CaSO4 y 30,0g a otro material llamado comúnmente “impurezas”,

38


el cual a su vez es una sustancia o una mezcla. Sí es de interés la obtención de la sustancia CuSO4(s), se procederá a diseñar la metodología de separación adecuada. Para el caso, CaSO4(s) es soluble en agua 14,8g/100,0H2O y las impurezas12 insolubles. El cuadro 4 representa la secuencia de pasos para lograr CaSO4(s) a la temperatura y presión del ambiente.

Cuadro 4 Metodología de separación CuSO4(s)

Una atención lógica al cuadro 4, da lugar a percibir una clase de transformación de la sustancia CaSO4: de la mezcla heterogénea a la solución acuosa y de la solución acuosa a la sustancia CaSO4(s). Transformación posible mediante una metodología de separación, creada por los químicos para lograr la “sustancia pura”.

Otra lectura de un empaque comercial, “alcohol antiséptico” al 45% C2H5OH(ac). Esta lectura significa que el material es una mezcla homogénea en fase líquida y que por cada 100,0 ml de ésta, 45 ml son etanol C2H5OH(l) y 55 ml son H2O(l). Sí es de interés la obtención de las sustancias C2H5OH(l) y H2O(l), se procederá a diseñar la metodología de separación adecuada. Para el caso, C2H5OH(l) es soluble en agua en grado alto. El esquema 2 representa la secuencia de pasos para aislar C2H5OH(l) y H2O(l) a la temperatura y presión del ambiente.

Cuadro 5 Metodología de separación C2H5OH(l) y H2O(l)

)(2)(52

52

l

TOHHCnDestilació

ac OHOHHC eb Y

)(52)(52 l

enfriarE

vap OHHCOHHC

Una atención lógica al cuadro 5, da lugar a percibir una clase de transformación de la sustancia C2H5OH: de la mezcla homogénea o solución acuosa a las sustancias C2H5OH(vap) y H2O(l), de C2H5OH(vap) a C2H5OH(l). Transformación posible mediante una metodología de separación, creada por los químicos para lograr cada sustancia individual la “sustancia pura”.

12

Las impurezas constituyen un material para el cual debe planearse qué destino tiene a futuro, según normas de seguridad ocupacional y riesgo en Química, o de si es utilizable en otro proceso.

)(2)(4)(4

)()(4)(4

)(4)(2

%70

)(4

}lub,{

}lub,{

vaps

nevaporació

ac

sac

Filtración

aHeterogéneMezcla

ac

aHeterogéneMezcla

ac

disolución

l

comercialproducto

s

OHCaSOCaSO

impurezasCaSOlesinsoimpurezasCaSO

lesinsoimpurezasCaSOOHCaSO

)(2)(4)(4

)()(4)(4

)(4)(2

%70

)(4

}lub,{

}lub,{

vaps

nevaporació

ac

sac

Filtración

aHeterogéneMezcla

ac

aHeterogéneMezcla

ac

disolución

l

comercialproducto

s

OHCaSOCaSO

impurezasCaSOlesinsoimpurezasCaSO

lesinsoimpurezasCaSOOHCaSO

39


Identificar una sustancia aislada, a partir de una mezcla, comprender la metodología de separación y las transformaciones de la sustancia en el proceso de separación, verificar mediante refinamiento de la separación y de las propiedades de la sustancia como la solubilidad, Teb y Tfus y/o de otras pruebas, es una perspectiva para ampliar el significado de sustancia. Desde esta perspectiva operacional se considera a una sustancia como un material homogéneo logrado por metodologías de separación en un determinado grado de pureza, grado que depende del esfuerzo purificador para su aislamiento. Y, es en este sentido, que el hombre se constituye en el factor purificador, decide y opera que grado de pureza para la sustancia aislada.

El cuadro 6, presenta de modo general, una secuencia de metodologías de separación para aislar sustancias.

Al finalizar esta unidad el concepto de sustancia se ha ampliado a lo largo del texto y su comprensión requiere del conocimiento de una serie de operaciones. Unas para caracterizar la sustancia con un conjunto de propiedades químicas y físicas; otras para determinar su composición o fórmula química, y, otras para lograrla con alto grado de pureza. En síntesis, desde una mirada operacional, se expresa el significado de sustancia como:

Material homogéneo de composición invariante (o definida) en términos de elementos químicos, caracterizado en contexto por un conjunto de propiedades químico-físicas. Logrado por metodologías de separación en un determinado grado de pureza, grado que depende del esfuerzo purificador para su aislamiento.

Composición definida significa la sustancia constituida por la combinación química de una clase de elemento (sustancia simple) o de dos o más clases de elementos (sustancia compuesta). Combinación expresada como una relación de composición cualitativa y cuantitativa invariante, denominada identidad química, la cual a su vez se representa por una fórmula química denominada fórmula química de composición empírica y molecular..

La sustancia caracterizada por un conjunto de propiedades químico-físicas, significa que la sustancia no es un ente aislado y estático, está inmersa en una red de relaciones dinámicas, es decir de transformaciones en contexto, de cambios químico-físicos no en si, sino que su naturaleza depende de las clases de interacciones entre sustancias y energía. Una propiedad no es un comportamiento en sí o por si solo, es posible en una relación de interacción y en ésta las partes se modifican.

La sustancia es dinámica y la química la estudia como una red de sustancias y de relaciones químicas en contexto.

40


Cuadro 6 Métodos de separación para la obtención de sustancias

Actividad 18. Obtención de una sustancia a partir de un material comercial.

Obtener mediante metodologías de separación la sustancia Sulfato de Cobre (II) Pentahidratado sólido CuSO4·5H2O(s), en la forma de un monocristal, a partir de un material comercial de esta sustancia. Identificar las operaciones de separación de los componentes de la mezcla inicial y las transformaciones de la sustancia CuSO4·5H2O(s).

Actividad 19. Diseña una metodología para aislar H2O(l) y NaCl(s) a partir de una solución acuosa de cloruro de sodio NaCl(s).

Actividad 20. Consulta y escribe una breve descripción de los métodos: destilación, sedimentación, tamizado.

Actividad 21. Escribe tu reflexión acerca de tu progreso conceptual para el significado de sustancia.

Actividad 22. Elabora un mapa conceptual con las palabras concepto: material, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, sustancia, solubilidad, composición variante, composición definida, fórmula química, métodos de separación.

C(l)

B(l) Sustancia

simple

Contexto 3

F(l)

E(l)

C(l) Sustancia compuesta

Destilación

Contexto 0

A, B, C

A(l) +

A(l)

A(l) A(l)

A(l) sustancia

simple

Solución acuosa líquida

B(l) +

B, C

Destilación

Contexto 1

Contexto 2

D(l)

C(l)

C(l) Sustancia simple

C(l) C(l) C(l)

texto soluciones y estequiom. ma.v.a.c

Documents