Principios Fundamentales de Química: Materia, Mezclas, Disoluciones y Estructura Atómica

Principios Fundamentales de Química: Materia, Mezclas y Estructura Atómica

1. Clasificación de la Materia: Sustancias Puras, Mezclas y Compuestos

1.1 Ejemplos Ilustrativos

• Sustancias Puras (Elementos y Compuestos):
  • Elementos: Aluminio (Al), Silicio (Si), Argón (Ar)
  • Compuestos Químicos: Ácido bórico (H₃BO₃), Ácido sulfúrico (H₂SO₄), Óxido de zinc (ZnO)
• Mezclas Homogéneas (Disoluciones):
  • Agua con sal
  • Medicinas (muchas son disoluciones o suspensiones finas)
  • Café con leche (si está bien mezclado y no sedimenta)
• Mezclas Heterogéneas:
  • Ensalada
  • Agua con aceite
  • Leche con cereales

2. Tipos de Mezclas y Conceptos Relacionados

Emulsión:

Mezcla heterogénea de dos líquidos inmiscibles (que no se mezclan entre sí), donde uno de los líquidos (fase dispersa) se encuentra en forma de pequeñas gotas en el otro líquido (fase continua). Ejemplo: mayonesa (aceite disperso en agua).

Coloide (o Dispersión Coloidal):

Mezcla con apariencia a menudo homogénea a simple vista, pero heterogénea a nivel microscópico. Sus partículas dispersas son más grandes que las moléculas de un soluto en una disolución verdadera, pero lo suficientemente pequeñas como para no sedimentar por gravedad. Los coloides típicamente dispersan la luz (efecto Tyndall). Ejemplos: leche, niebla, gelatina.

Emulsionante (o Emulgente):

Sustancia que se añade a una emulsión para estabilizarla, es decir, para mantener las partículas de la fase dispersa suspendidas en la fase continua, evitando que se separen rápidamente. Actúa disminuyendo la tensión interfacial entre los dos líquidos. Ejemplo: la lecitina de la yema de huevo en la mayonesa.

Disolución:

Mezcla homogénea a nivel molecular o iónico de dos o más sustancias puras que no reaccionan entre sí. Los componentes se encuentran en proporciones variables. Una disolución verdadera no dispersa la luz visible (no presenta efecto Tyndall) y sus componentes no pueden separarse por filtración simple.

3. Técnicas Fundamentales para la Separación de Mezclas

3.1 Criba (Tamizado)

Este procedimiento es idóneo para separar mezclas sólidas heterogéneas cuyos componentes tienen diferente tamaño de partícula. Se utiliza un tamiz o criba con una malla de aberturas de tamaño específico que retiene las partículas más grandes y deja pasar las más pequeñas.

3.2 Filtración

Este procedimiento se utiliza para separar un sólido insoluble de un líquido o gas en el que se encuentra suspendido. La mezcla se hace pasar a través de un medio poroso (filtro) que retiene las partículas sólidas y permite el paso del fluido (filtrado).

3.3 Cristalización

Este procedimiento es adecuado para separar y purificar un sólido disuelto en un líquido. Se basa en la diferencia de solubilidad del sólido a distintas temperaturas o en la evaporación controlada del disolvente, lo que provoca que el soluto forme cristales puros al alcanzar la sobresaturación.

3.4 Separación Magnética

Esta técnica está indicada cuando uno de los componentes de una mezcla (generalmente sólida) posee propiedades ferromagnéticas (es atraído fuertemente por un imán), como el hierro (Fe), níquel (Ni) o cobalto (Co). Se utiliza un imán para atraer y separar dicho componente del resto de la mezcla no magnética.

3.5 Destilación

Este método se emplea para separar componentes de una mezcla líquida basándose en sus diferentes puntos de ebullición (volatilidad).

• Destilación simple: Adecuada para separar un líquido de un sólido no volátil disuelto en él (ej. agua de sal), o dos líquidos miscibles con una diferencia significativa en sus puntos de ebullición (generalmente > 25-30°C).
• Destilación fraccionada: Necesaria para separar líquidos miscibles con puntos de ebullición cercanos, utilizando una columna de fraccionamiento que permite múltiples ciclos de vaporización-condensación.

3.6 Decantación

Procedimiento utilizado para separar componentes de una mezcla heterogénea con diferentes densidades que forman fases distintas:

• Dos líquidos inmiscibles (ej. agua y aceite). Se deja reposar la mezcla hasta que las capas se separen, y luego se vierte o extrae cuidadosamente la capa superior o se drena la inferior.
• Un sólido insoluble sedimentado en un líquido. Después de que el sólido se asiente en el fondo (sedimentación), se vierte cuidadosamente el líquido sobrenadante.

3.7 Cromatografía

Conjunto de técnicas versátiles utilizadas para separar los distintos componentes de una mezcla homogénea (líquida o gaseosa). La separación se basa en la distribución diferencial de los componentes entre dos fases: una fase estacionaria (sólida o líquida fijada a un soporte) y una fase móvil (líquida o gaseosa) que fluye a través de la fase estacionaria. Los componentes se separan debido a sus diferentes afinidades (adsorción, partición, tamaño molecular, etc.) por ambas fases, lo que resulta en distintas velocidades de migración.

4. Estudio de las Disoluciones Químicas

Una disolución es una mezcla homogénea formada por dos o más sustancias puras. Los componentes principales son:

• Disolvente: Es el componente que se encuentra, por lo general, en mayor proporción y actúa como el medio en el que se dispersa el soluto. El agua (H₂O) es conocida como el "disolvente universal" debido a su capacidad para disolver una amplia variedad de sustancias.
• Soluto: Es el componente que se encuentra en menor proporción y es la sustancia que se disuelve en el disolvente.

4.1 Ejemplos Comunes

• Disolventes comunes: Agua (H₂O), etanol (C₂H₅OH), acetona (CH₃COCH₃), hexano (C₆H₁₄). Se utilizan ampliamente en la industria y el laboratorio, por ejemplo, en adhesivos, pinturas, productos farmacéuticos y procesos de limpieza.
• Ejemplos de disoluciones (soluto en disolvente):
  • Azúcar (sacarosa, C₁₂H₂₂O₁₁) disuelta en agua (formando agua azucarada).
  • Sal común (cloruro de sodio, NaCl) disuelta en agua (formando salmuera).
  • Dióxido de carbono (CO₂) disuelto en agua (presente en bebidas carbonatadas).
  • Alcohol etílico en agua (si el alcohol está en menor proporción, actúa como soluto; si está en mayor proporción, actúa como disolvente).

5. Expresión de la Concentración en Disoluciones

La concentración de una disolución es una magnitud que expresa la cantidad de soluto presente en una cantidad determinada de disolvente o de disolución. Existen diversas formas de expresar la concentración:

5.1 Porcentaje en Masa (% m/m)

Indica la masa de soluto (generalmente en gramos) presente en 100 gramos de disolución.

Fórmula:

% en masa = (masa de soluto / masa de disolución) × 100

Es importante recordar que: masa de disolución = masa de soluto + masa de disolvente.

5.2 Porcentaje en Volumen (% V/V)

Indica el volumen de soluto (generalmente en mililitros o litros) presente en 100 unidades de volumen de disolución. Esta forma de expresar la concentración es comúnmente utilizada cuando tanto el soluto como el disolvente son líquidos, o para mezclas de gases.

Fórmula:

% en volumen = (volumen de soluto / volumen de disolución) × 100

Nota importante: Al mezclar líquidos, el volumen final de la disolución puede no ser exactamente la suma de los volúmenes individuales del soluto y del disolvente. Esto se debe a las interacciones intermoleculares que pueden causar una contracción o expansión del volumen total.

6. Fundamentos de la Teoría Atómico-Molecular de Dalton

La Teoría Atómica de Dalton, propuesta por el científico inglés John Dalton a principios del siglo XIX (entre 1803 y 1808), sentó las bases de la química moderna al proporcionar un modelo sobre la naturaleza de la materia. Sus postulados fundamentales son:

• La materia está constituida por partículas extremadamente pequeñas, indivisibles e indestructibles denominadas átomos. (Hoy sabemos que los átomos son divisibles en partículas subatómicas, pero son la unidad básica en las reacciones químicas ordinarias).
• Todos los átomos de un mismo elemento químico son idénticos entre sí en masa, tamaño y demás propiedades químicas.
• Los átomos de elementos químicos diferentes tienen masa, tamaño y propiedades distintas.
• Los compuestos químicos se forman por la unión de átomos de dos o más elementos diferentes, combinados en una proporción numérica sencilla y constante. Esto explica la Ley de las Proporciones Definidas (o Ley de Proust).
• En las reacciones químicas, los átomos no se crean ni se destruyen, solamente se reorganizan, se separan o se unen para formar nuevas sustancias. Esto explica la Ley de la Conservación de la Masa (o Ley de Lavoisier).