Materia Química General año 2012
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Materia Química General – año 2012 Ing. Dulcinea Joaquín Cárdenas Unidad 2 Estado de la materia: métodos de separación y fraccionamiento de fases. ¿Cómo se producen estos diferentes estados de la materia? Los átomos que tienen poca energía interactúan mucho y tienden a “encerrarse” y no interactuar con otros átomos. Por consiguiente, colectivamente, estos átomos forman una sustancia dura, lo que llamamos un sólido. Los átomos que poseen mucha energía se mueven libremente, volando en un espacio y forman lo que llamamos gas. Resulta que hay varias formas conocidas de materia, algunas de ellas están detalladas a continuación. Los sólidos se forman cuando las fuerzas de atracción entre moléculas individuales son mayores que la energía que causa que se separen. Las moléculas individuales se encierran en su posición y se quedan en su lugar sin poder moverse. Aunque los átomos y moléculas de los sólidos se mantienen en movimiento, el movimiento se limita a una energía vibracional y las moléculas individuales se matienen fijas en su lugar y vibran unas al lado de otras. A medida que la temperatura de un sólido aumenta, la cantidad de vibración aumenta, pero el sólido mantiene su forma y volumen ya que las moléculas están encerradas en su lugar y no interactúan entre sí. Los líquidos se forman cuando la energía (usualmente en forma de calor) de un sistema aumenta y la estructura rígida del estado sólido se rompe. Aunque en los líquidos las moléculas pueden moverse y chocar entre sí, se mantienen relativamente cerca, como los sólidos. Usualmente, en los líquidos las fuerzas intermoleculares (tales como los lazos de hidrógeno que se muestran en la siguiente animación) unen las moléculas que seguidamente se rompen. A medida que la temperatura de un líquido aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales también aumenta. Como resultado, los líquidos pueden “circular” para tomar la forma de su contenedor pero no pueden ser fácilmente comprimidas porque las moléculas ya están muy unidas. Por consiguiente, los líquidos tienen una forma indefinida, pero un volumen definido. Los gases se forman cuando la energía de un sistema excede todas las fuerzas de atracción entre moléculas. Así, las moléculas de gas interactúan poco, ocasionalmente chocándose. En el estado gaseoso, las moléculas se mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección, extendiéndose en largas distancias. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales aumenta. Los gases se expanden para llenar sus contenedores y tienen una densidad baja. Debido a que las moléculas individuales están ampliamente separadas y pueden circular libremente en el estado gaseoso, los gases pueden ser fácilmente comprimidos y pueden tener una forma indefinida. Los sólidos, líquidos y gases son los estados más comunes de la materia que existen en nuestro planeta. Transiciones de Fase
La transformación de un estado de la materia a otro se denomina transición de fase. Las transiciones de fase más comunes tienen hasta nombre. Por ejemplo, los términos derretir y congelar describen transiciones de fase entre un estado sólido y líquido y los términos evaporación y condensación describen transiciones entre el estado líquido y gaseoso. Las transiciones de fase ocurren en momentos muy precisos, cuando la energía (medida en temperatura) de una sustancia de un estado, excede la energía permitida en ese estado. Por ejemplo, el agua líquida puede existir a diferentes niveles de temperatura. El agua fría para beber puede estar alrededor de 4ºC. El agua caliente para la ducha tiene más energía y, por lo tanto, puede estar alrededor de 40ºC. Sin embargo, a 100ºC en condiciones normales, el agua empezará una transición de fase y pasará a un estado gaseoso. Por consiguiente, no importa cuán alta es la llama de la cocina, el agua hirviendo en una cacerola se mantendrá a 100ºC hasta que toda el agua haya experimentado la transición al estado gaseoso. El exceso de energía introducido por la alta llama acelerará la transición de líquido al gas; pero no cambiará la temperatura. La curva de calor siguiente ilustra los cambios correspondientes en energía (mostrada en calorías) y la temperatura del agua, a medida que experimenta la transición de fase del estado líquido al estado gaseoso.
Como puede verse en el gráfico superior, el movimiento de izquierda a derecha muestra que la temperatura del agua líquida aumenta a medida que se introduce la energía (calor). A 100ºC el agua empieza a experimentar una transición de fase y la temperatura se mantiene constante, aun cuando se añade energía (la parte plana del gráfico). La energía que se introduce durante este periodo es la responsable de la separación de las fuerzas intermoleculares para que las moléculas de agua individuales puedan “escapar” hacia el estado gaseoso. Finalmente, una vez que la transición ha terminado, si se añade más energía al sistema, aumentará el calor del agua gaseosa o vapor. Este mismo proceso puede ser visto inversamente, si simplemente miramos al gráfico superior yendo de la derecha hacia la izquierda. A medida que el vapor se enfría, el movimiento de las moléculas del agua gaseosa y, por consiguiente, de la temperatura, disminuirá. Cuando el gas alcanza 100ºC se perderá más energía del sistema a medida que las fuerzas de atracción entre las moléculas se reformen. Sin embargo, la temperatura se mantiene constante durante la transición (la parte plana del gráfico). Finalmente, cuando la condensación se acaba, la temperatura del líquido empezará a disminuir a medida que la energía se retira. Las transiciones de fase son una parte importante del mundo que nos rodea. Por ejemplo, la energía que se pierde cuando la respiración se evapora de la superficie de nuestra piel, le permite a nuestro cuerpo regular correctamente su temperatura durante los días cálidos. Las transiciones de fase tienen un importante rol en la geología, influenciando la formación mineral y, posiblemente, hasta los terremotos. Ahora entendemos lo que ocurre en una cacerola con agua hirviendo. La energía (calor) introducida en el fondo de la cacerola causa una transición de fase localizada del estado de agua líquida al estado gaseoso. Ya que los gases son menos densos que los líquidos, esta transición de fase localizada forma bolsas (o burbujas) de gas que se elevan a la superficie de la cacerola y que se revientan. Pero la naturaleza es generalmente más mágica que nuestra imaginación. A pesar de todo lo que sabemos sobre los estados de la materia y sobre las transiciones de fase, todavía no podemos predecir dónde las burbujas individuales se formarán en la cacerola de agua hirviendo.  Un cambio de estado es el paso de un estado de agregación a otro en una sustancia como consecuencia de una modificación de la temperatura (o de presión). Existen varios cambios de estado, que son: - Fusión: Es el paso de estado de una sustancia del sólido al líquido. La temperatura a la que esto ocurre se llama Temperatura de fusión o punto de fusión de esa sustancia. Mientras hay sólido convirtiéndose en líquido, la temperatura no cambia, se mantiene constante. Por ejemplo, en el agua el punto de fusión es 0 ºC; mientras haya hielo transformándose en agua la temperatura no variará de 0 ºC. Esto ocurre porque toda la energía se invierte en romper las uniones entre partículas y no en darles mayor velocidad en ese tramo. - Solidificación: Es el cambio de estado de líquido a sólido. La temperatura a la que ocurre es la misma: el punto de fusión. - Vaporización: Es el cambio de estado de líquido a gas. Se puede producir de 2 formas: evaporación y ebullición. La evaporación se produce sólo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura, se escapan las partículas más energéticas del líquido. Por el contrario, la ebullición se produce en todo el líquido y a una temperatura característica llamada temperatura o punto de ebullición. Por ejemplo, en el agua es de 100 ºC y se mantiene mientras hay agua pasando a vapor. - Condensación: Es el cambio de estado de gas a líquido. La temperatura a la que ocurre es el punto de ebullición. - Sublimación: Es el cambio de estado de sólido a gas (sin pasar por el estado líquido). Esto ocurre, por ejemplo, en sustancias como: alcanfor, naftalina, yodo, etc. Un buen ejemplo práctico serían los ambientadores sólidos o los antipolillas. - Sublimación inversa: Es el cambio de estado de gas a sólido (sin pasar por el estado líquido). Los cambios de estado se suelen representar en unas gráficas llamadas gráficas de calentamiento o gráficas de enfriamiento que son iguales para todas las sustancias, ya que sólo varían en su punto de fusión y en su punto de ebullición, que son propiedades características de cada sustancia. Los puntos de fusión y de ebullición de las sustancias puras tienen valores constantes y cada sustancia pura tiene su propio punto de fusión y de ebullición. Por ejemplo, el agua tiene como punto de fusión 0 ºC y como punto de ebullición 100 ºC (a la presión del nivel del mar), el alcohol etílico tiene punto de fusión -114 ºC y punto de ebullición 78 ºC. En la siguiente tabla puedes ver algunos ejemplos:
Separación de Fases Los métodos de separación de fases de mezclas son aquellos procesos químicos por los cuales se pueden separar los componentes de una mezcla. Por lo general el método a utilizar se define de acuerdo al tipo de componentes de la mezcla y a sus propiedades particulares, así como las diferencias más importantes entre las fases. La separación es la operación en la que una mezcla se somete a algún tratamiento que la divide en al menos dos sustancias diferentes. En el proceso de separación, las sustancias conservan su identidad, sin cambio alguno en sus propiedades químicas. Entre las propiedades físicas de las fases que se aprovechan para su separación, se encuentra el punto de ebullición, la solubilidad, la densidad y otras más. Por esto vamos a definir algunas de estas para comprender como es posible la separación de mezclas heterogéneas.
“La solubilidad es la medida o magnitud que indica la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una cantidad determinada de solvente y a una temperatura dada”. Las unidades de expresión para la solubilidad son variadas, en general se expresa en g/l (gramos/litros). Ejemplo: La solubilidad de la sal común (cloruro de sodio) es de 360 g/l en agua a 20ºC. Este valor indica que en un litro de agua (1000 cc) a 20ºC, la cantidad máxima de cloruro de sodio que se puede disolver es 360 gramos. Pueden presentarse dos situaciones en particular para la solubilidad: Si dos solutos son solubles en un mismo solvente, dependiendo de las cantidades (pequeñas) pueden disolverse ambos sin ninguna dificultad, pero en general la sustancia de mayor solubilidad desplaza de la solución a la de menor solubilidad, ejemplo: al agregar azúcar o sal a una bebida, inmediatamente se produce el escape del gas disuelto en ella. Si un soluto es soluble en dos solventes inmiscibles (no se mezclan) entre sí, el soluto se disuelve en ambos solventes distribuyéndose proporcionalmente de acuerdo a sus solubilidades en ambos solventes.
Nos indicara la cantidad de masa del cuerpo material contenido en un volumen definido de ella.  Por lo tanto la masa y el volumen de una sustancia la podemos evaluar así: > masa: m = ρ . V > Volumen: V = m / ρ Unidades: Las unidades en la que puede estar la densidad son:  Se debe tener en cuenta que: 1. Los valores de densidad de las sustancias dependen de la presión y temperatura a la cual se encuentre, pero no dependen de la gravedad; por lo tanto, la densidad de un cuerpo en la tierra es igual que en la luna, a la misma presión y temperatura. 2. Estando a la misma presión y temperatura es posible diferenciar a dos sustancias químicamente puras por sus valores de densidad, debido a que es una propiedad intensiva y característica de cada sustancia. 3. Para una sustancia química, generalmente se cumple: ρ solido > ρ liquido > ρ gas 4. La densidad de sustancias solidas y liquidas varia en cantidades muy pequeñas con la temperatura, por lo cual generalmente se considera constante en un rango de temperatura de 0°C a 30°C. En cálculos muy precisos se debe considerar que la densidad disminuye al aumentar la temperatura, esto se debe a la dilatación o aumento de volumen que experimentan las sustancias al ser calentadas.
El peso específico (ϒ) es una propiedad intensiva, que mide el peso de una sustancia por unidad de volumen.  Donde: ϒ = peso específico P = es el peso de la sustancia V = es el volumen que la sustancia ocupa ρ = es la densidad de la sustancia g= es la aceleración de la gravedad Unidades: En el sistema internacional se expresa en: N / m3
Es la relación entre la densidad de una sustancia y la densidad de otra tomada como referencia denominada sustancia patrón. La gravedad específica es un numero adiminensional, es decir no posee unidades. Por convención, la sustancia patrón para sustancias liquidas y solidas es el agua, y para gases o vapores es el aire, cuya densidad en condiciones normales es 1,29 g / L. La gravedad específica se usa mas en la vida comercial que en la ciencia, así, una serie de sustancias (arena, vino, alcohol, etc.) se caracterizan frecuentemente mediante esta magnitud. Métodos de separación de fases Los más comunes son los siguientes:
Decantación: es un proceso físico de separación de mezclas, especial para separar mezclas heterogéneas, estas pueden ser exclusivamente líquido - líquido ó sólido - líquido. Esta técnica se basa en la diferencia de densidades entre los dos componentes, que hace que dejandolos en reposo se separen quedando el más denso arriba y el más fluido abajo. Filtracion: La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase = componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante. Extracción: La extracción líquido-líquido es un método muy útil para separar componentes de una mezcla. El éxito de este método depende de la diferencia de solubilidad del compuesto a extraer en dos disolventes diferentes. Cuando se agita un compuesto con dos disolventes inmiscibles, el compuesto se distribuye entre los dos disolventes. A una temperatura determinada, la relación de concentraciones del compuesto en cada disolvente es siempre constante, y esta constante es lo que se denomina coeficiente de distribución o de reparto (K = concentración en disolvente 2 / concentración en disolvente 1). Luego tengo el elemento que quería separar en uno de los disolventes que utilicé, luego tendré que separarlo de este último por algún otro método. Lixiviación: es un proceso por el cual se extrae uno o varios solutos de un sólido, mediante la utilización de un disolvente líquido. Ambas fases entran en contacto íntimo y el soluto o los solutos pueden difundirse desde el sólido a la fase líquida, lo que produce una separación de los componentes originales del sólido. Imantación o separación por magnetismo: en este proceso de separación se hace uso de la propiedad de algunos materiales de imantarse, se pueden separar sólidos mediante un imán o una superficie imantada que atraerá hacia si misma los metales imantados y los no imantados permanecerán en la mezcla. Tamización: es el proceso por el cual se pueden separar solidos utilizando los distintos tamaños de estos dentro de la mezcla, se realiza por medio de un tamiz (que es un colador) que retiene partículas de determinado tamaño. De esta manera quedan atrapadas en el tamiz determinadas partículas y otras pasan. Flotación: La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las partículas se adhieren a las burbujas, y la fuerza ascensorial que experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuya densidad es mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua. Una vez las partículas se hallan en superficie, pueden recogerse mediante un rascado superficial Destilación: es el proceso por el medio del cual se hace uso de los distintos puntos de ebullición y se pueden separar sistemas líquidos – líquidos, Sólidos - Líquidos, entre otros. Para esto se coloca una mezcla a calentamiento, los compuestos mas volátiles se evaporaran primero permitiendo separarlos de los menos volátiles. |
