El estudio de las sustancias, sus propiedades, la estructura de la materia, la neutralización de un ácido, la reacción de un metal con el oxígeno, la combustión, el reconocimiento de diversas sales y las leyes a que responden todas esas reacciones, es abarcado por
MATERIA Y CUERPO
Todo lo que nos rodea nos constituye está formado por materia y por energía: el aire, el suelo, la luz, el calor, son formas de materia o de energía.
Se han expresado varios conceptos de Materia. Se debe aclarar que al definir se procura dar, con pocas palabras, un concepto preciso y sin fallas, pero en ciencia, y en Química, por consiguiente, no siempre se lo logra con la precisión del enunciado de un teorema o de un postulado. Toda la materia posee algo común, ese algo es el peso (propiamente masa): el aire, los gases, la madera, los metales, etc., todos poseen peso. Por eso diremos:
Materia es todo lo que posee peso, y ocupa un lugar en el espacio.
La materia compone a los cuerpos y todo cuerpo es limitado, luego:
Cuerpo: es una porción limitada de materia.
PROPIEDADES DE
Una propiedad de la materia es una cualidad de la misma que puede ser apreciada por los sentidos, por ejemplo el color, la dureza, el peso, el volumen, la impenetrabilidad, etcétera.
Estas, y otras propiedades se clasifican en dos grandes grupos:
1) PROPIEDADES EXTENSIVAS: son aquéllas que varían con la cantidad de materia considerada.
Por ejemplo: Una bolita de vidrio pesa 5 gr.; una bolita más grande del mismo vidrio pesará más de 5 gr.
Luego el peso, al variar con la cantidad de materia considerada, es una propiedad extensiva
La superficie, el volumen, son propiedades extensivas.
2) PROPIEDADES INTENSIVAS O ESPECIFICAS: son aquéllas que no varían con la cantidad de materia considerada.
Por ejemplo el punto de fusión del hielo es, a presión normal, 0° C cualquiera sea la cantidad de hielo que se considere.
Cuando el agua pura hierve, la temperatura de sus vapores, a presión normal, es de
El peso específico, el coeficiente de solubilidad, el índice de refracción también son propiedades específicas o intensivas.
Sustancia
La materia que constituye los cuerpos se puede agrupar considerando sus propiedades intensivas.
Así, toda materia líquida que en condiciones normales de presión hierve a
Se ha agrupado la materia en sustancias.
Las sustancias se caracterizan por poseer las mismas propiedades intensivas, también llamadas, constantes físicas. Así, poseen el mismo punto de fusión, de ebullición, el mismo peso específico, el mismo coeficiente de solubilidad, la misma forma cristalina, etc.
SUSTANCIA: es lo que tiene de común la materia con iguales propiedades intensivas o especificas.
ESTADOS DE
La materia puede hallarse en tres estados diferentes que se denominan estados de la materia y son:
1º) Estado sólido:
a) Los sólidos se caracterizan por poseer forma propia.
b) Sus moléculas se hallan en un estado de ordenación regular.
c) Por ello, el estado sólido verdadero se halla asociado a una forma cristalina definida.
d) El volumen del sólido cambia poco con la presión: los sólidos no son compresibles.
e) Entre sus moléculas predomina la fuerza de atracción (Fuerzas de Van der Waals),
2º) Estado líquido:
a) No tienen forma propia.
b) Sus moléculas no se hallan en estado de ordenación regular.
c) Tienen superficie libre plana y horizontal
d) Se comprimen con dificultad: tampoco son compresibles.
e) Las fuerzas de atracción y repulsión entre sus moléculas están equilibradas.
3º) Estado gaseoso:
a) No tienen forma propia.
b) Sus moléculas tienen mucha movilidad y lo hacen en espacios muy grandes con respecto a su propio volumen. Poseen fuerza expansiva.
c) No tienen superficie libre.
d) Son fácilmente compresibles.
e) Predominan entre sus moléculas las fuerzas de repulsión. Las fuerzas atractivas de van der Waals son despreciables.
CAMBIOS DE ESTADO
Cuando se calienta un trozo de plomo, al alcanzar cierta temperatura pasa del estado sólido al estado líquido: se funde por acción del calor. Las moléculas del sólido con el aumento de temperatura se agitan en forma creciente hasta que deslizándose unas sobre otras hacen que el sólido cambie de estado.
El agua es una sustancia que puede estar en el estado líquido, sólido o gaseoso. Para explicar esta curiosa propiedad debemos admitir que en cada uno de esos tres estados las moléculas están dispuestas en forma diferente.
Los cambios de estado que pueden producirse en la materia son:
Fusión
Calentando un trozo de parafina, al alcanzar éste determinada temperatura comienza a fundir. Si se introduce un termómetro en la masa se observa que esa temperatura es de
Esta observación verificada en muchos ensayos nos permite enunciar una de las leyes de la fusión:
Mientras dura la fusión de una sustancia pura, la temperatura permanece constante.
Así como comprobamos que la parafina funde a 54° C, podemos verificar que el hielo funde a
Cada sustancia pura tiene una temperatura de solidificación -fusión que le es propia denominada punto de fusión.
La presión modifica la temperatura de fusión de las sustancias. El aumento de presión favorece la fusión del hielo; éste a presión normal funde a la temperatura de 0º C, pero cuando la presión aumenta funde por debajo de 0º C. Si la presión vuelve entonces al valor normal, el agua formada que se halla por debajo de 0º C, vuelve a solidificar.
El hielo fundirá a diferentes temperaturas según se vaya modificando la presión. Sobre la base de estas experiencias se puede enunciar otra ley de la fusión:
La temperatura de fusión depende de la presión exterior.
Las tres leyes de la fusión son:
1º- Ley: Cada sustancia pura tiene una temperatura de fusión que le es propia.
2º- Ley: Mientras dura la fusión de una sustancia pura la temperatura permanece constante.
3º- Ley: La temperatura de fusión depende de la presión exterior.
Solidificación:
Es el pasaje del estado líquido al estado sólido
El agua congela a la temperatura de 0° C si la presión exterior es la normal. El hielo funde, en iguales condiciones, a la temperatura de 0º C. Esto nos indica que 0º C es la temperatura de equilibrio para el sistema hielo-agua.
Si al sistema se le da calor el hielo fundirá. Si en cambio se le quita calor, el agua solidificará.
Vaporización
Es el pasaje del estado líquido al estado de vapor o de gas.
La vaporización según como se verifique se denomina evaporación o ebullición.
EVAPORACIÓN: es el pasaje del estado liquido al de vapor efectuado en la superficie del líquido.
EBULLICIÓN: es el pasaje del estado líquido al de vapor efectuado en la superficie y en toda la masa líquida.
Evaporación
La rapidez Con que se efectúa la evaporación depende de varios factores:
1º) La naturaleza del líquido
Los líquidos volátiles como el sulfuro de carbono, el éter y el cloroformo se evaporan rápidamente. Otros como la glicerina y el mercurio lo hacen con lentitud y se denominan no volátiles.
2º) La superficie expuesta
Cuanto mayor es la superficie del líquido que se evapora mayor es la velocidad con que el fenómeno se realiza.
por eso para que la ropa húmeda se seque rápidamente debe ser extendida.
3º) La presión
La velocidad de evaporación es inversamente proporcional a la presión exterior. Es directamente proporcional a la diferencia entre la presión del vapor del líquido y la presión del vapor de la atmósfera.
Por este motivo la ropa húmeda tarda en secar los días de mucha humedad, pues la presión del vapor de agua que tiene el aire y la del líquido son aproximadamente iguales y su diferencia, nula. La velocidad de la evaporación depende de otros factores, como la circulación del aire. Así las telas mojadas se secan más rápidamente en una corriente de aire.
Debemos añadir que la evaporación se produce a cualquier temperatura mientras que la ebullición requiere temperaturas determinadas como nos indican sus leyes:
Licuación
Es el pasaje del estado gaseoso al estado liquido.
Licuan el oxígeno, el hidrógeno, el dióxido de carbono, etc.
Condensación
Condensan el vapor de agua, el de cloroformo, el de éter, etc.
Se debe diferenciar entre vapores y gases. Los vapores, como el del agua, por compresión o por enfriamiento se condensan, es decir pasan al estado líquido.
Los gases, como el dióxido de carbono, para pasar al estado líquido, primero deben ser enfriados hasta cierta temperatura y luego, comprimidos.
El dióxido de carbono debe enfriarse por debajo de 31,5° C y luego por compresión se lo consigue licuar.
Si la temperatura de ese gas es mayor de
A esa temperatura por encima de la cual no es posible licuar a un gas se la llama temperatura crítica.
Los vapores para ser condensados no requieren enfriamiento previo, por lo tanto podemos considerarlos gases que se hallan por debajo de la temperatura crítica.
Recordar:
Para que un vapor condense basta enfriarlo o comprimirlo.
Para que un gas se licue primero debe enfriarlo por debajo de la temperatura crítica y luego comprimido.
Sublimación y volatilización
SUBLIMACIÓN: es el pasaje del estado de vapor al estado sólido sin pasar por el estado líquido.
VOLATILIZACIÓN; es el pasaje del estado sólido al de vapor sin pasar por el estado líquido.
La volatilización se puede observar en el dióxido de carbono sólido conocido con el nombre de “hielo seco”. También se volatiliza la naftalina y, a baja presión, el yodo.
SISTEMAS MATERIALES
Si colocamos en un recipiente un poco de agua cuya composición queremos determinar, si en un tubo de ensayo colocamos azufre cuyo punto de fusión deseamos hallar, si en una polea queremos encontrar la relación potencia-resistencia y en fin si a un cuerpo, parte de un cuerpo, conjunto de cuerpos o conjunto de partes de cuerpos para estudiarlos en uno o más de sus diversos aspectos los aislamos convenientemente, decimos que estamos estudiando un sistema material.
En todos los casos separamos el sistema con la intención de estudiarlo.
La química estudia los sistemas materiales.
Se denomina sistema material a un cuerpo aislado, conjunto de cuerpos, parte de un cuerpo o parte de un conjunto de cuerpos que se consideran para estudiarlos.
Los sistemas materiales son clasificados en sistemas homogéneos y sistemas heterogéneos atendiendo a su estado de agregación.
Sistemas homogéneos y sistemas heterogéneos
Si se tiene una porción de agua con sal (diluida) y se estudian sus propiedades físicas y químicas y luego se repite el mismo análisis con otra porción y se observa que las propiedades de las dos porciones son iguales y lo mismo sucede con cualquiera nueva porción que se analice se dice que el sistema agua Salada es homogéneo.
El aire seco y filtrado, el agua destilada, el agua con sal diluida son ejemplos de sistemas homogéneos, pues cada uno de ellos en cualquier punto de su masa posee iguales propiedades cualitativas.
SISTEMA HOMOGÉNEO: es aquel sistema que en todos los puntos de su masa posee iguales propiedades físicas y químicas.
Si observamos un sistema homogéneo, por ejemplo agua destilada, no encontraremos discontinuidad, esto es ninguna superficie de separación en el sistema agua, ni aun con el ultramicroscopio. Por eso también se define así:
SISTEMA HOMOGÉNEO: es el sistema que no presenta solución en su continuidad ni aun con el ultramicroscopio
El agua con arena, el agua con hielo, el granito (cuarzo-mica y feldespato), la niebla (aire y gotas de agua) son sistemas que no presentan en toda su masa las mismas propiedades intensivas.
Además, en ellos se pueden observar superficies de separación. Son medios discontinuos ya sea a simple vista, con lupa, microscopio o ultramicroscopio.
Por eso se definen así:
SISTEMA HETEROGÉNEO: es el sistema que en diferentes puntos del mismo tiene distintas propiedades físicas y químicas. Presenta solución en su continuidad (superficies de separación).
Hay otros sistemas en los que no se observan superficies de discontinuidad, pero la variación de propiedades se manifiesta en una forma gradual y continua,
Puntos próximos de estos sistemas tienen propiedades semejantes, pero analizando porciones muy separadas una de las otras, manifiestan propiedades diferentes. Son los sistemas inhomogéneos.
La atmósfera terrestre es un ejemplo de esta clase de sistemas.
SISTEMA INHOMOGÉNEO: es el sistema con el ultramicroscopio, que no presenta superficies de discontinuidad, pero cuyas propiedades varían en forma gradual y continua.
FASE
En los sistemas heterogéneos las superficies de discontinuidad limitan fases. Por ejemplo: agua y aceite, dos fases; agua y hielo, dos fases, La fase agua se halla separada de la fase hielo por superficies bien determinadas; la fase aceite se halla, también, separada de la fase agua por superficies. Además la fase agua, la fase hielo la fase aceite son sistemas homogéneos aunque los sistemas agua-aceite, y agua-hielo sean heterogéneos.
FASE: es cada uno de los sistemas homogéneos que componen un sistema heterogéneo, separadas unas de otras por superficies de discontinuidad.
Componente y constituyente
En el caso del sistema agua-hielo-aire podemos distinguir tres fases o constituyentes: aire-hielo-agua, y solamente dos componentes:
el agua (líquida y sólida) y el aire. En el caso del agua-hielo-vapor de agua hay tres fases o constituyentes y un solo componente:
el agua en sus tres estados: sólido líquido- vapor.
Separación de fases
Se llama así al proceso por el cual de un sistema heterogéneo se separan los diversos sistemas homogéneos o fases que lo componen.
1º) Solubilización
Permite separar un sólido de otro. Por ejemplo arena y sal. Se disuelve uno de los componentes del sistema: la sal, en agua. Luego se completa con:
2º) Filtración y evaporación
Permite separar una fase sólida de una líquida
3) Decantación
Se emplea para separar un sólido de un liquido aprovechando su diferente densidad.
Se usan vasos de precipitación. El líquido que sobrenada se separa inclinando el vaso o por medio de un sifón, según la figura.
También se emplea la decantación para separar líquidos no miscibles de diferente densidad. En este caso se usan embudos de decantación según el esquema. El líquido más denso ocupa la parte inferior y el menos denso la parte superior. Abriendo la llave se recogen los líquidos en diferentes vasos de precipitación.
4) Centrifugación
Acelera, por medio de la fuerza centrífuga, el proceso de la decantación.
Esta es más rápida según aumente el número de vueltas en un período de tiempo determinado.
5º) Levigación
También llamado de arrastre por una corriente de agua.
La corriente, por su velocidad, arrastra las partículas más livianas y deja las más pesadas.
Así se levigan las arenas auríferas; el agua arrastra a la arena y deja los trozos de roca y las pepitas de oro que sedimentan en canaletas especiales.
6º) Tamización
Este procedimiento complementa al anterior.
El tamiz deja pasar agua y arena fina; retiene el oro y la arena gruesa. Sirve también para separar sólidos, por ejemplo: harina de cereales de la cáscara o talco de granos incompletamente molidos, etc.
7º) Sublimación
Permite separar sustancias que volatilizan y subliman de las que no, por ejemplo: yodo de arena .
Por este procedimiento se extrae el ácido benzoico de la resma de benjuí, se purifica la naftalina etc.
Clasificación de los sistemas homogéneos
Los sistemas homogéneos se clasifican en sustancias puras o especies químicas y soluciones.
Las sustancias puras están formadas por una sola sustancia. Poseen propiedades específicas o intensivas constantes y además características, es decir propias y exclusivas de ellas.
Así la sustancia pura hielo funde a 0º C y ninguna otra sustancia tiene ese punto de fusión; solamente el hierro funde a 1500º C, ninguna sustancia, excepto el mercurio, tiene una densidad de 13,6 g/cm3, etc.
Además las sustancias puras resisten los procedimientos mecánicos y físicos del análisis. Esto significa que por ningún procedimiento mecánico o físico de una sustancia pura se pueden obtener porciones que no sean esa misma sustancia pura.
SUSTANCIA PURA: son sistemas homogéneos con propiedades intensivas constantes que resisten los procedimientos mecánicos y físicos del análisis.
Las soluciones son también sistemas homogéneos, pero por medies físicos pueden ser resueltos en fracciones, esto es en las sustancias puras que las constituyen. Por ejemplo de la solución de sal en agua por destilación (método físico) se pueden separar dos fracciones: sal y agua.
En una solución hay más de una sustancia,
SOLUCIÓN: Es un sistema homogéneo constituido por dos o más sustancias puras o especies químicas.
A los procedimientos por los cuales de un sistema homogéneo se obtienen dos o más fracciones se los llama métodos de fraccionamiento del sistema.
Fraccionamiento de un sistema homogéneo
Como ya se ha dicho, los sistemas homogéneos que no sean sustancias puras se pueden fraccionar.
Existen varios procedimientos:
Destilación
Esta operación consiste en transformar un líquido en vapor y luego condensar el vapor por enfriamiento.
La destilación varía según el tipo de solución de que se trate, a saber:
a) Destilación simple
Se emplea este método para separar el disolvente, de las sustancias sólidas disueltas en él.
Se obtiene, por este procedimiento el agua destilada.
Se suspende la operación cuando en el balón queda un cuarto del líquido inicial.
b) Destilación fraccionada
Se emplea para separar das o más líquidos mezclados, de diferentes puntos de ebullición.
La separación es más fácil si los puntos de ebullición de los líquidos son muy diferentes.
Los líquidos que destilan no son totalmente puros. Por ejemplo si se destila alcohol y agua, al llegar el termómetro a los 78° C se detiene y los vapores que condensan en el refrigerante son de alcohol (con algo de agua).
Para ello se coloca en un balón con tubo lateral (balón de destilación) agua corriente y se conecta el balón al refrigerante según el esquema.
El refrigerante se llama de Liebig, aunque el originario de Liebig era de metal.
Además hay otros modelos de refrigerantes diferentes a los del esquema. El balón se tapa con un tapón que lleva atravesado un termómetro.
Cuando el termómetro marca 100° C el agua hierve y los vapores condensan en el refrigerante.
El líquido se recoge en un vaso de precipitación o en un Erlenmeyer.
En el refrigerante la corriente de agua fría es contraria a la de los vapores, según indican las flechas.
El agua del balón se oscurece debido a la descomposición de la materia orgánica.
Luego que destiló el alcohol, la temperatura sube a 100° C y destila agua (con muy poco alcohol).
Para lograr obtener los líquidos puros se emplean las columnas fraccionadoras, deflegmadores o columnas rectificadoras.
Una de ellas es la de Lebel Henniger del esquema.
Al pasar los vapores por las olivas, en A condensan los vapores de punto de ebullición más elevado y a B llegan los más volátiles que son los primeros en destilar por el refrigerante de Liebig a la temperatura que indica el termómetro.
Los líquidos que quedan en las olivas sirven de lavadores para los vapores que siguen desprendiéndose de la solución.
Cuando el nivel de esos líquidos pasa el nivel del sifón vuelven de oliva en oliva hasta llegar de nuevo al balón.
SOLUCIONES
SOLUCIONES: Mezclas homogéneas (una sola fase) con composiciones variables. Resultan de la mezcla de dos o más sustancias puras diferentes cuya unión no produce una reacción química sino solamente un cambio físico. Una sustancia (soluto) se disuelve en otra (solvente) formando una sola fase. Los componentes pueden separarse utilizando procedimientos físicos.
MEZCLAS: Mezclas heterogéneas (más de una fase). Resultan de la mezcla de dos o más sustancias puras diferentes cuya unión no produce una reacción química sino solamente un cambio físico.
FASE: Porción de materia con propiedades uniformes. Porción de un sistema separado de los otros por límites físicos.
SOLUTO: Componente de una solución que se encuentra en cantidad menor. Es la fase de menor proporción.
SOLVENTE: Componente de una solución que se encuentra en cantidad mayor. Es la fase de mayor proporción.
SOLUCIÓN ACUOSA: El solvente es el agua. El soluto puede ser un sólido, un líquido o un gas.
TIPOS DE SOLUCIONES:
- Gas en líquido.
- Líquido en líquido.
- Sólido en líquido.
- Gas en gas.
- Líquido en gas.
- Sólido en gas.
- Gas en sólido.
- Líquido en sólido.
- Sólido en sólido.
SOLUBILIDAD: Cantidad máxima de soluto que puede ser disuelta por un determinado solvente. Varía con la presión y con la temperatura. Es un dato cuantitativo.
MISCIBILIDAD: Capacidad de una sustancia para disolverse en otra. Es un dato cualitativo. Separa los pares de sustancias en "miscibles" y "no miscibles".
CURVA DE SOLUBILIDAD: Representación gráfica de la solubilidad de un soluto en determinado solvente (eje y) en función de la temperatura (eje x).
SOLUCIÓN SATURADA: Solución que contiene la máxima cantidad de soluto que el solvente puede disolver a esa presión y esa temperatura. Si se le agrega más soluto no lo disuelve: si es un sólido en un solvente líquido, el exceso precipita; si es un líquido en solvente líquido, el exceso queda separado del solvente por encima o por debajo según su densidad relativa; si es un gas en un solvente líquido, el exceso de soluto escapa en forma de burbujas. En una solución saturada de un sólido en un líquido, el proceso de disolución tiene la misma velocidad que el proceso de precipitación.
SOLUCIÓN NO SATURADA: Solución que contiene una cantidad de soluto menor que la que el solvente puede disolver a esa presión y esa temperatura.
CARACTERÍSTICA GENERAL DE
