Clasificación de la materia

Para iniciar, empezaremos con algunos conceptos que seguramente te son familiares. La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio, en tanto que las sustancias puras son tipos de materia que tienen cierta composición definida, no puede cambiar. A su vez, dentro de las sustancias puras podemos encontrar a los elementos o compuestos.

Elemento

Es una sustancia pura formada por átomos de la misma especie. Actualmente conocemos 118 elementos ubicados en la tabla periódica, la combinación de éstos forma otro tipo de materia que conocemos como compuestos.

Compuesto

Los compuestos son sustancias puras pero que están formadas por dos o más elementos (en proporciones fijas, con nombre y
fórmula química específica) que solo se pueden descomponer por medios químicos.

Mezcla

Por otro lado tenemos a otro tipo de materia que son las mezclas. A las mezclas también se les llama sistemas dispersos y son la unión física de dos o más sustancias que se encuentran en proporciones variables, y que a pesar de estar unidas conservan sus propiedades originales.

Las mezclas se clasifican en función del número de fases que se presentan en ellas y las encontramos en dos presentaciones o tipos: como mezclas homogéneas, en donde no se pueden identificar las fases, es decir, a los ojos del ser humano sólo es visible una fase, ya que su apariencia es uniforme, por ejemplo el agua potable que es una mezcla de diferentes sales disueltas en pequeñas cantidades. Y las mezclas heterogéneas, donde son visibles dos o más fases, no es uniforme su composición ni en sus propiedades; un ejemplo de esta mezcla es el agua con el aceite.

Sistemas dispersos

Anteriormente ya mencionamos qué son las mezclas, en tu contexto es difícil encontrar sustancias puras; por ejemplo, cuando bebes agua por lo regular le licúas alguna fruta de temporada y agregas azúcar, cuando analizamos la carne o leche encontramos proteínas, grasas, agua, etc., por lo anterior, es importante reconocer los sistemas dispersos en tu entorno y que están presentes en tu vida cotidiana.

En nuestra vida diaria podemos encontrar una serie de mezclas: desde que te levantas y te das un refrescante baño estás utilizando agua y jabón, al cambiarte la ropa seguramente utilizarás diferentes prendas elaboradas con algodón que incorporan otras fibras como poliéster o algún otro componente; tu café lo combinas con leche y azúcar, pero si fueras más allá, en el interior de tu cuerpo encontrarías que muchas sustancias se mezclan para poder realizar sus funciones vitales. Así que todo lo que mires alrededor y en tu interior se realiza con la combinación de sustancias dispersas entre sí.

Pero entonces, ¿qué es un sistema disperso?

Un sistema disperso es la mezcla de una sustancia sólida, líquida o gaseosa (fase dispersora) con otra sustancia sólida, líquida o gaseosa (fase dispersa).

En un sistema disperso la fase dispersa es la sustancia en menor proporción y la fase dispersante o dispersadora es la de mayor proporción. El tamaño de las partículas de la fase dispersadora determinará su comportamiento en el sistema. Los sistemas dispersos son:

• a) disoluciones
• b) coloides
• c) suspensiones

Disoluciones

Es la mezcla homogénea de dos o más sustancias a nivel molecular. Los componentes de una disolución se denominan soluto y disolvente.

La materia se encuentra en tres distintos estados de agregación: líquida, sólida y gaseosa, por tanto puede haber 9 tipos de disoluciones. El solvente líquido más importante es el agua y las disoluciones resultantes se llaman disoluciones acuosas. Las disoluciones son importantes para la vida porque las contienes en los tejidos, al digerir los nutrientes y en los productos de desecho, es decir, la mayoría de las reacciones químicas ocurren en disolución.

Como podrás observar en la tabla, al mezclar un soluto con un solvente la disolución resultante es igual al estado de agregación del solvente, porque en él se dispersa uniformemente el soluto.

¿Cómo es posible que al observar una mezcla homogénea no se puedan distinguir fácilmente las sustancias que la forman? Porque la dispersión entre las sustancias implicadas se da a nivel atómico y molecular, es decir, las partículas interactúan entre sí desde un nivel microscópico, las partículas dispersas son tan pequeñas que no es posible observarlas.

Para que te quede más claro analiza la imagen.

Cuando una masa sólida de cloruro de sodio (sal común) se añade al agua, el sodio y el cloro se separan en forma de iones, se dispersan en el agua e inmediatamente se ven rodeados por estas moléculas. El agua, al ser una molécula polar, tiene un extremo positivo y otro negativo, lo que propicia que el respectivo extremo se oriente de acuerdo con el ión de que se trate,
sodio (Na+) o cloro (Cl-).

Pero cuando de disolución de solutos sólidos en agua se trate se debe tomar en cuenta los siguientes factores de solubilidad.

Concentración de las disoluciones

Seguramente has escuchado alguna vez estas frases: “se le pasó de sal la comida”, “parecía café de calcetín”, “estaba tan azucarado que parecía miel”. Pues bien, todo esto es común porque en las mezclas cotidianas en ocasiones las concentraciones del soluto no son las adecuadas.

Se le llama concentración a la cantidad de soluto disuelto en una cantidad dada de disolución.

Tomando en cuenta la cantidad de soluto en un disolvente, podemos clasificar las disoluciones como cualitativas y cuantitativas. Ahora explicaremos las cualitativas, y las cuantitativas las revisaremos más adelante.

En las disoluciones valorada, la concentración se aprecia con precisión. Tanto el soluto como el disolvente se dividen en unidades químicas y físicas de concentración.

• Las unidades físicas expresan la concentración de la disolución en cuanto a la masa del soluto, independientemente de su masa molecular.
• Las unidades químicas expresan la concentración de la disolución por el número de átomos o moléculas del soluto presentes en la disolución.

Coloides

Los coloides son mezclas homogéneas que contienen partículas de 1 nanómetro (nm) a 1000 nanómetros (nm), que se encuentran dispersas en un medio dispersante. En los coloides la equivalencia de soluto y disolvente es fase dispersa y fase dispersora.

• Fase dispersa es aquella que se encuentra dentro de la fase dispersora y en menor proporción.
• Fase dispersora es aquella que se encuentra en mayor proporción y dentro de ella está la fase dispersa.

Los coloides son considerados intermedios entre las disoluciones y suspensiones. Un ejemplo común son la gelatina y las nubes. En las industrias se fabrican diversos coloides, como es el plástico, las lacas y los barnices para decorar las uñas, los cauchos para las mamilas, los guantes, las películas fotográficas, tintas, cementos, lubricantes, jabones, entre otros.

En procesos de purificación, blanqueo y flotación de minerales, dependerán de la absorción en la superficie de material coloidal. Los coloides presentan propiedades que los diferencian de otro tipo de dispersiones, como lo demuestra la siguiente
tabla:

Los coloides pueden existir en tres estados de agregación de la materia (líquido, sólido y gaseoso).

Suspensiones

Es una mezcla constituida por un soluto no soluble y sedimentable en el líquido dispersor en el que se encuentra.
Las suspensiones son las mezclas heterogéneas más comunes, en ocasiones son conocidas como emulsiones porque se mezclan dos líquidos inmiscibles.

Las suspensiones son muy utilizadas en la farmacéutica, sus propiedades las podemos encontrar en la siguiente tabla:

Ya has conocido qué son las disoluciones, los coloides y suspensiones. Observa las diferencias de los sistemas dispersos en el siguiente cuadro.

Hasta ahora hemos visto las distintas formas de expresar la concentración de una disolución de manera cualitativa, pero en la Química es muy importante conocer, con exactitud las cantidades de soluto que se encuentra en una disolución, o bien, saber qué cantidad necesitamos de cierto soluto para preparar alguna disolución. A continuación presentamos la manera en la que podemos conocer esta información.

Métodos de separación de mezclas

Unidades de concentración de los sistemas dispersos

Los términos de concentración de una disolución diluida o concentrada resultan imprecisos cuando se requiere expresar las cantidades de los componentes de una solución, por lo cual se requieren métodos cuantitativos:

Porcentual

El porcentaje en masa indica los gramos de soluto presentes en 100 gramos de solución. El porcentaje en volumen nos indica los mililitros de soluto presentes en 100 mL de disolución:

Ejemplo:
Calcula el porcentaje en masa para cada 78.5 g de hidróxido de calcio Ca (OH)2 en 195 g de solución.

Solución:

1. Después de leer el ejemplo me doy cuenta de que necesito la fórmula de porcentaje en masa y de que los datos que tengo son precisamente los datos que pide la fórmula.

Molar

Se representa con M, y se refiere a la medida de concentración de una solución que expresa la cantidad de moles de soluto en un litro de solución (moles/L solución).

Ejemplo:
¿Cuántos g de hidróxido de bario Ba(OH)2 se necesitan para preparar 650 mL de una solución 0.2 M?

Solución:
Después de leer el ejemplo me doy cuenta que necesito la fórmula de molaridad.

Los datos que me da el problema son el volumen y la molaridad, por lo tanto, debemos despejar la masa de soluto (g de hidróxido de bario) y además, necesitamos calcular la masa molar de Ba(OH)₂.

Resultado

Normalidad

Se representa con la letra N y se define como el número de equivalentes-gramo de soluto contenido en un litro de solución. Se expresa como:

El equivalente gramo de una sustancia es igual al peso equivalente expresado en gramos. El peso equivalente, generalmente, es un submúltiplo de la fórmula molecular y podemos determinarlo matemáticamente mediante la siguiente fórmula:

El peso equivalente de un ácido o una base se puede determinar dividiendo el peso molecular entre el número de hidrógenos en el caso de los ácidos, y entre el número de OH- en el caso de las bases.

Ejemplo:
¿Qué normalidad tendrá una solución si 600 ml de la misma contienen 60 g de ácido fosfórico?

Solución:
Al leer el ejemplo podemos identificar los datos que nos proporciona y las variables que debemos calcular.
N= ¿?
V= 600 ml = 0.6 litros
Masa= 60 g

Por consiguiente, necesitamos calcular la masa molar y el Peq. del ácido fosfórico.

Ácidos y bases

La palabra ácido se deriva de “acidus” (latín) que significa agrio, y las bases o también llamadas álcalis provienen de alquialy (árabe) que significa cenizas de plantas.

Pero químicamente, ¿cómo podemos diferenciarlos? Una de las primeras teorías que explica esto es la postulada por el químico y físico Arrhenius en 1884, quien define al ácido como una sustancia que libera iones hidrógeno (H+) cuando se
disuelve en agua. Y una base como la sustancia que libera iones hidroxilo (OH-) cuando se disuelve en agua.

En 1923, el químico Danés J.N. Bronsted y el químico inglés T.M. Lowry, introdujeron la teoría de la transferencia de protones o teoría Bronsted-Lowry, que establece que un ácido es un donador de protones (H+) y una base es un receptor de protones (H+).
En la reacción del ácido clorhídrico con el agua, el HCl dona un protón y forma un ion cloruro (Cl-) y el agua acepta un protón y forma un ion hidronio (H₃O+), así el HCl es el ácido y el H₂O es la base.

Los ácidos y las bases se clasifican en fuertes y débiles, según su capacidad para donar protones. En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos:

De acuerdo con la teoría de Bronsted-Lowry, el agua puede actuar como un ácido o una base, por tanto se dice que es una sustancia anfotérica. La molécula de agua que actúa como ácido, dona un protón a la molécula de agua que actúa como base.

Como se presenta en la ecuación, el agua está en equilibrio con iones hidronios e iones hidróxido. Experimentalmente se ha determinado que la concentración de iones hidronio en el agua pura a 25 °C es de 1 x 10^-7 mol/L y la concentración de iones hidróxido es de 1 x 10^-7 mol/L. Se emplean corchetes [ ], para representar la concentración en moles por litro. Observa:

Además, análisis adicionales revelan que en el agua pura, el producto de la concentración de iones hidronio y la concentración de iones hidróxido es igual a una constante (Kw) denominada constante del producto iónico del agua y es igual a 1 x 10^-14.

Cuando en una disolución se tienen la misma concentración de iones hidrógeno [H+] que iones hidróxido [OH-], se dice que la disolución es neutra. Si se adiciona un ácido al agua entonces aumenta la concentración de iones hidrógeno [H+] y la disolución es ácida. Si se adiciona una base al agua, aumenta la concentración de iones hidróxido [OH-] y la disolución es básica.

Si se conoce la concentración de iones hidrógeno [H+], es posible calcular la concentración de iones hidróxido [OH-] y viceversa.

Ejemplo:

Una bebida gaseosa (refresco) tiene una concentración de iones hidrógeno de 1 x 10^-4 M, ¿cuál es la concentración de iones hidróxido?

Fuente: Secretaría de Educación Pública. (2015). Química II. Ciudad de México.