Mezclas, Disoluciones y Sustancias Puras: Conceptos Fundamentales

La Materia y su Clasificación

Los sistemas materiales, formados por una o varias sustancias, pueden clasificarse en:

• Sistemas materiales heterogéneos: Presentan distintas propiedades en las diferentes partes del sistema. Pueden distinguirse partes diferenciadas, incluso a simple vista o con ayuda del microscopio.
• Sistemas materiales homogéneos: Tienen la misma composición y las mismas propiedades en cualquier porción de los mismos. No pueden distinguirse partes diferenciadas, ni a simple vista ni con microscopio.

Las Mezclas Heterogéneas

Un sistema material heterogéneo formado por varias sustancias es, por definición, una mezcla heterogénea.

Suspensiones: Son un tipo especial de mezclas heterogéneas formadas por un sólido disperso en un líquido, al que se denomina fase dispersante. El tamaño de las partículas dispersas es al menos de 2·10^-4 m. Pueden separarse mediante filtración y, cuando reposan, sus componentes se separan en fases.

Separación de Componentes de Mezclas Heterogéneas

El estado de agregación, la densidad o la solubilidad permiten identificar sustancias y facilitan la separación de los componentes de una mezcla:

• Componentes con distinto estado de agregación: Si un componente es sólido y otro líquido, se utiliza la filtración.
• Componentes con distinta densidad: Se emplean las siguientes técnicas:
  • Sedimentación: Separación, por acción de la gravedad, de los componentes con distinta densidad.
  • Decantación: Permite separar, mediante un embudo de decantación, líquidos inmiscibles.
  • Centrifugación: Técnica que incrementa de forma artificial, mediante rotación, las diferencias de peso de los componentes para conseguir sedimentaciones más rápidas.
• Componentes con distinta solubilidad: Se utiliza la disolución selectiva. Para una mezcla de sólidos, se añade un disolvente adecuado; uno de los sólidos pasa a la fase disuelta mientras el otro permanece intacto en fase sólida. A continuación, se filtra para separar el sólido no disuelto.

Sistemas Materiales Homogéneos

Los sistemas materiales homogéneos pueden clasificarse en disoluciones y sustancias puras, según el número de sustancias que los formen.

Disoluciones

Una disolución es un sistema material homogéneo formado por dos o más componentes. Estos componentes están mezclados en idéntica proporción y presentan las mismas propiedades en toda la mezcla.

• Se llama disolvente al componente mayoritario en la disolución.
• Se llama soluto al componente minoritario.

Tanto el disolvente como el soluto pueden encontrarse en estado sólido, líquido o gaseoso.

La composición de las disoluciones puede variar dentro de unos límites.

Las disoluciones verdaderas son aquellas en las que el tamaño de las partículas de soluto es menor que 10^-6 m, y atraviesan cualquier filtro.

La teoría cinética explica cómo se forma una disolución mediante reajustes en las partículas. Por ejemplo, en el caso de sólidos y líquidos:

1. Desmoronamiento de la estructura del sólido: Las partículas del disolvente son atraídas por las del sólido, provocando su desmoronamiento.
2. Acomodación de partículas: Las partículas “arrancadas” al sólido se acomodan en los huecos existentes entre las partículas del líquido.

El volumen final de una disolución es menor que la suma de los volúmenes del soluto y del disolvente, debido a los reajustes entre las partículas.

Sustancias Puras

Un sistema material homogéneo formado por un solo componente se denomina sustancia pura.

Las temperaturas de fusión y ebullición son propiedades características de las sustancias puras, lo que permite comprobar si un sistema material homogéneo es una sustancia pura.

Las sustancias puras presentan temperaturas de fusión y ebullición determinadas y constantes. Los valores de estas propiedades en las mezclas son variables y dependen de su composición.

Concentración de una Disolución

Según la proporción de soluto y disolvente, las disoluciones pueden ser:

• Diluidas: La cantidad de soluto en relación al disolvente es muy pequeña.
• Concentradas: La cantidad de soluto en relación al disolvente es muy alta.
• Saturadas: El soluto está en la máxima proporción posible a una temperatura dada. Cualquier cantidad adicional que se añada no se disolverá, estableciéndose un equilibrio entre las partículas de sólido que pasan a la disolución y las que retornan a la fase sólida.

Estas clasificaciones cualitativas no proporcionan información cuantitativa exacta de las cantidades. Para ello, se recurre al concepto de concentración:

La concentración de una disolución expresa, de forma numérica, la proporción de soluto en una determinada cantidad de disolución.

Concentración = (Cantidad de soluto) / (Cantidad de disolución)

Este cociente se expresa de diversas formas y unidades, entre las que destacan:

Gramos por Litro de Disolución (g/L)

Expresa los gramos de soluto contenidos en cada litro de disolución:

Concentración (g/L) = (Masa de soluto en g) / (Volumen de la disolución en L)

Tanto por Ciento en Masa (% m/m)

Expresa los gramos de soluto existentes en 100 gramos de disolución.

% masa = (Masa de soluto / Masa de disolución) * 100

Tanto por Ciento en Volumen (% v/v)

% volumen = (Volumen de soluto / Volumen de disolución) * 100

El porcentaje en volumen se usa en disoluciones cuyo soluto es líquido o gas.

Separación de los Componentes de una Disolución

Las técnicas de separación dependen del estado de agregación de los componentes:

• Separación de sólidos disueltos en líquidos: Se provoca la evaporación del disolvente, ya sea a temperatura ambiente o por calentamiento, lo que produce la posterior cristalización del soluto. El tamaño de los cristales obtenidos depende de la velocidad de evaporación: mediante ebullición serán pequeños, mientras que serán más grandes si se deja evaporar a temperatura ambiente.
• Separación de líquidos disueltos en líquidos (Destilación): Si tienen distintos puntos de ebullición, se destila la disolución en un alambique. El componente más volátil es el primero en evaporarse y atravesar un refrigerador que lo condensa. Una vez separado, se incrementa la temperatura para alcanzar el siguiente punto de ebullición.
• Separación de una mezcla de gases por disolución selectiva: Esta técnica permite separar un gas de la mezcla cuando uno de ellos se disuelve en un líquido. Se hace burbujear la mezcla en el líquido y luego se calienta la disolución para separar el gas disuelto.
• Separación de una mezcla de gases por destilación (ej. aire): Para separar los componentes del aire, se utilizan dos etapas:
  • Licuación: Se comprime el aire hasta altas presiones y se deja expandir bruscamente, lo que provoca que el aire se licúe.
  • Destilación fraccionada: Posteriormente, se eleva la temperatura de forma gradual. Primero se evapora el nitrógeno y luego el oxígeno, obteniéndose cada fracción del aire por separado.

La Cromatografía

Esta técnica se basa en la diferente velocidad con que cada componente de una muestra líquida es capaz de difundir a través de una superficie porosa por la que el disolvente asciende por capilaridad.

Solubilidad

La solubilidad es una propiedad característica de un soluto respecto a un disolvente determinado.

La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una cierta cantidad de disolvente a una determinada temperatura.

Se expresa comúnmente en «gramos de soluto / 100 g de disolvente» o en «gramos de soluto / 100 cm³ de disolvente». Generalmente, estos datos se proporcionan a 25 °C.

• La solubilidad de un sólido en agua aumenta al aumentar la temperatura.
• La solubilidad de los gases en agua, para una presión dada, disminuye al aumentar la temperatura. Si fijamos la temperatura, la solubilidad de los gases aumenta al aumentar la presión exterior.

La influencia de la temperatura en la solubilidad de una sustancia queda reflejada en las llamadas curvas de solubilidad, que se construyen a partir de parejas de datos de solubilidad y temperatura.

Sustancias Puras: Elementos y Compuestos

Un compuesto es una sustancia pura que, mediante transformaciones químicas, puede convertirse en otras sustancias más simples.

Un elemento es una sustancia pura que no puede descomponerse en otras más simples por métodos químicos.

Un Compuesto no es una Mezcla

La unión de dos o más elementos para formar un compuesto es un proceso totalmente distinto al de una mezcla.

• Los constituyentes de una mezcla pueden estar en cualquier proporción y mantienen sus propiedades características individuales.
• Los constituyentes de un compuesto están siempre en la misma proporción definida y la sustancia final es una nueva sustancia pura con propiedades totalmente diferentes a las de sus elementos originales.

Separación de los Componentes de un Compuesto

Existen dos procedimientos principales para descomponer un compuesto:

• Descomposición térmica: Aplicación de calor para romper los enlaces químicos.
• Electrólisis: Uso de corriente eléctrica para descomponer el compuesto.

El calor y la corriente eléctrica son los principales agentes utilizados para descomponer los compuestos químicos.