Fundamentos de Química: Gases, Mezclas y Métodos de Separación

Propiedades Fundamentales de las Sustancias en Estado Gaseoso

Las sustancias en estado gaseoso presentan características distintivas que las diferencian de los líquidos y sólidos. A continuación, se detallan sus propiedades principales:

• No tienen forma ni volumen propio: Los gases adoptan la forma y ocupan el volumen del recipiente que los contiene.
• Ejercen presión sobre las paredes del recipiente: Las moléculas de gas chocan constantemente contra las paredes del contenedor, generando una fuerza por unidad de área.
• Se difunden fácilmente: Los gases tienden a mezclarse de manera uniforme con otros gases o a expandirse para ocupar todo el espacio disponible.
• Son altamente compresibles y expandibles: Su volumen puede reducirse o aumentarse significativamente mediante cambios de presión o temperatura.
• Se pueden dilatar o contraer: Su volumen varía con los cambios de temperatura.

Los gases se difunden hasta ocupar todo el espacio disponible. Pueden comprimirse, expandirse, dilatarse y contraerse.

Presión de los Gases

El aire o cualquier gas empuja las paredes del recipiente en el que se encuentre. La magnitud que describe esta fuerza por unidad de área se denomina presión.

Presión Atmosférica

La presión atmosférica es la fuerza que ejerce la columna de aire sobre los cuerpos en todas direcciones. Es importante destacar que no es la misma en todos los sitios, variando con la altitud y las condiciones meteorológicas.

Teoría Cinética de los Gases

La teoría cinética explica el comportamiento de los gases basándose en el movimiento de sus partículas. Sus postulados principales son:

• Todas las sustancias están compuestas por moléculas.
• Las moléculas de cada sustancia son idénticas entre sí, pero difieren de las moléculas de otras sustancias.
• Las moléculas poseen masa.
• No son visibles con un microscopio óptico.
• Están en continuo movimiento: a mayor velocidad de las moléculas, mayor es la temperatura del gas.
• Entre las moléculas no hay nada (vacío).
• Un mayor número de choques entre las moléculas y las paredes del recipiente resulta en una mayor presión.

Cero Absoluto

Cuando la temperatura de un gas disminuye, también lo hace el volumen que ocupa. Si la temperatura se reduce drásticamente, el volumen disminuirá considerablemente. El cero absoluto es la temperatura teórica en la que el volumen ocupado por un gas ideal sería nulo, y el movimiento molecular cesaría por completo.

Métodos de Separación de Sustancias

Existen diversas técnicas para separar los componentes de una mezcla, dependiendo de las propiedades físicas de las sustancias involucradas.

Decantación

La decantación se emplea cuando las sustancias son inmiscibles, es decir, no se mezclan homogéneamente, y tienen diferente densidad. Un ejemplo clásico es la separación de aceite y agua.

Filtración

La filtración es un método simple utilizado cuando una de las sustancias es sólida y la otra es líquida, y la sólida no se disuelve. Consiste en hacer pasar la mezcla por un embudo con un papel de filtro. El líquido atraviesa el filtro, pero el sólido queda retenido.

Separación de Sustancias en Disoluciones

Si deseamos recuperar el sólido de una disolución líquido-sólido, debemos evaporar el líquido. Esto se puede realizar de dos formas:

• Calentamiento a sequedad: Calentando la disolución hasta que todo el líquido se evapore.
• Cristalización: Dejando evaporar el líquido lentamente a temperatura ambiente, lo que permite la formación de cristales del sólido.

Destilación

La destilación es un proceso utilizado para separar líquidos miscibles con diferentes puntos de ebullición o para separar un sólido disuelto en un líquido. El procedimiento es el siguiente:

1. Se coloca la mezcla líquida en un matraz con una salida para los vapores que se producen al calentar la mezcla.
2. Los vapores producidos pasan por un tubo alrededor del cual circula agua fría en sentido contrario al de los vapores. A este dispositivo se le conoce como refrigerante.
3. Al enfriarse, los vapores vuelven al estado líquido.
4. Por el extremo del tubo de salida, el líquido se recoge en otro recipiente llamado colector. A este líquido recogido se le denomina destilado.

Tipos de Mezclas: Disoluciones, Coloides y Suspensiones

Las mezclas se clasifican según el tamaño de las partículas de sus componentes y su homogeneidad.

Disoluciones

Una disolución es un sistema homogéneo porque tiene las mismas propiedades en todos sus puntos (parece una sola sustancia). Las disoluciones están formadas por varias sustancias (soluto y disolvente). Son transparentes y sus componentes no pueden separarse ni por filtración ni por decantación. Ejemplo: azúcar en agua. Existen otras mezclas homogéneas que también son consideradas disoluciones, aunque no siempre se les llame así, como las bebidas gaseosas o el aire.

Suspensiones

Las suspensiones son mezclas heterogéneas en las que las partículas son bastante grandes (aunque no siempre visibles a simple vista), por lo que no caen al fondo rápidamente, pero son lo suficientemente grandes como para ser observadas directamente con el tiempo o con ayuda. Ejemplo: arena en agua.

Dispersiones Coloidales (Coloides)

En las dispersiones coloidales, las partículas son de tamaño intermedio, menores que las de una suspensión pero mayores que las de una disolución. No se asientan fácilmente y a menudo presentan el efecto Tyndall. Ejemplo: la leche.

Aleaciones

Las aleaciones son mezclas homogéneas de dos o más elementos, donde al menos uno es un metal.

Latón

El latón es una aleación de cobre y zinc.

Aceros

Los aceros son aleaciones muy utilizadas en la construcción de maquinaria y edificios. Típicamente, contienen un 98 por ciento de hierro y un 1 o 2 por ciento de carbono (u otros elementos de aleación).

Problema de Concentración de Alcohol

Datos:

• Volumen total de la disolución: 30 cl (centilitros) = 300 ml
• Concentración de alcohol: 5 % (porcentaje en volumen)
• Densidad del alcohol: 0.8 g/cm³

Cálculos:

a) Volumen de alcohol

Para calcular el volumen de alcohol en la disolución, aplicamos el porcentaje de concentración:

Volumen de alcohol = Volumen total × Concentración

Volumen de alcohol = 300 ml × 0.05 = 15 ml

b) Masa de alcohol

Utilizamos la fórmula de la densidad (Densidad = Masa / Volumen) para encontrar la masa:

Masa = Densidad × Volumen

Masa de alcohol = 0.8 g/cm³ × 15 cm³ (ya que 1 ml = 1 cm³)

Masa de alcohol = 12 g