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2.1 SISTEMAS MATERIALES.

¿Cómo se estudia la materia? Es evidente que resulta imposible estudiar en forma simultánea todo lo que nos rodea. Necesitamos aislar de modo real o imaginario un conjunto de objetos, o uno de ellos o una fracción para su estudio detenido y minucioso. Así, analizamos el agua de un vaso, un cubito de hielo, la sal de mesa, el aceite, el aire, el alcohol, un trozo de granito, una porción de arena, un pedazo de madera . Entonces, podemos definir: Sistema material como toda porción del universo de masa que se aísla en forma real o imaginaria para su estudio experimental. 2.2 PROPIEDADES DE LA MATERIA

Los distintos materiales se diferencian gracias a ciertas cualidades que afectan en forma directa o indirecta nuestros sentidos y que se denominan propiedades físicas. 1- Estas propiedades pueden medirse y observarse sin que se modifique la composición de la materia. Las propiedad extensivas, depende de la cantidad de materia analizada. Si la cantidad de materia se modifica, se modifica en forma proporcional la propiedad extensiva. Entre las propiedades extensivas, además de la masa podemos mencionar el volumen (que se define para una presión y una temperatura determinadas), el calor acumulado por un cuerpo, etc. Las propiedades extensivas son aditivas. Las propiedad intensiva, no depende de la cantidad de materia analizada, y constituye una característica específica de la materia. Entre las propiedades intensivas se encuentran:  La densidad, que es la relación entre masa y volumen en condiciones de presión y temperatura determinadas.  El índice de refracción, que es el cociente entre la velocidad de propagación de la luz en esa sustancia y la velocidad en un medio de referencia.  Las temperaturas a las cuales ocurren los cambios de estado (a una presión determinada): el punto de fusión, que es la temperatura a la cual coexisten en equilibrio el estado sólido y el estado líquido, y en el punto de ebullición, coexisten en equilibrio el estado líquido y el estado gaseoso.  La dureza de los sólidos, que es la resistencia de un cuerpo a ser rayado o cortado.  La tensión superficial, referida a los líquidos, que es la cantidad de energía que se requiere para extender o aumentar la superficie de u líquido por unidad de área. Las propiedades intensivas no son aditivas. Por ejemplo, si registran el punto de ebullición del agua contenida en dos recipientes, y luego juntan el agua de los dos en uno solo y vuelven a registrar el punto de ebullición, éste no cambia. Entonces, a fin de caracterizar un sistema material definiremos dos tipos de propiedades:  Propiedades extensivas: todas aquellas que dependen de la cantidad de masa considerada.  Propiedades intensivas: todas aquellas que no dependen de la cantidad de masa considerada. Señale la opción que indique dos propiedades extensivas a- volumen b- punto de solidificación c- masa d- peso e- gusto f- densidad 1- a y b 2-a y c 3- b y c 4- a y f 5- b y c 2.3 TIPOS DE SISTEMAS MATERIALES (SM)

En general, los SM pueden intercambiar materia y/o energía con el medio que los rodea. Así por ejemplo, una olla con agua hirviendo modifica la temperatura y la humedad de la habitación donde se encuentra. Según el tipo de intercambio, los sistemas pueden ser: Intercambia materia Intercambia energía Sistema Ejemplo Olla de agua hirviendo sin tapar Abierto Si Si Cerrado

No

Si

Olla de agua hirviendo tapada

Aislado

No

No

Termo

2.4 CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS MATERIALES

Los sistemas materiales pueden ser clasificados en dos grandes grupos:  los sistemas materiales homogéneos  los sistemas materiales heterogéneos 3Sistemas-Materiales_Apic

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En los sistemas heterogéneos pueden diferenciarse fases, es decir, porciones en las cuales los valores de las propiedades intensivas resultan constantes. Las fases se encuentran separadas entre sí por límites virtuales llamados interfases. Un sistema material puede tener una o varias sustancias, que se denominan componentes. Si tiene un solo componente, se trata de una sustancia, y si tiene varios, de una mezcla. Al analizar las propiedades intensivas de un sistema se observa que:  si las propiedades intensivas son las mismas en cualquier parte del sistema, se trata de un sistema homogéneo. Por ejemplo, un terrón de azúcar o el agua de la canilla.  si las propiedades no son constantes en todos los puntos, se trata de un sistema heterogéneo. Por ejemplo una mezcla de arena y cemento. Entonces, se puede decir que: fase es cada uno de los sistemas homogéneos que constituyen un sistema heterogéneo. De 1 ejemplo de SM homogéneos y heterogéneos indicando el número de fases y de componentes

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2.5 SUSTANCIAS PURAS, COMPUESTOS Y MEZCLAS

Elementos y compuestos Al examinar los cambios químicos de la materia se observan una serie de sustancias fundamentales llamados elementos. Estos no pueden descomponerse en sustancias más sencillas por métodos químicos. Debido a que los compuestos están formados por elementos, pueden descomponerse en ellos mediante cambios químicos: COMPUESTOS ELEMENTOS Cada elemento está constituido por un tipo especial de átomos: una muestra de aluminio puro esta constituido únicamente de átomos de aluminio. Algunos elementos están constituidos moléculas; por ejemplo él hidrógeno gaseoso contiene moléculas H-H (que suele representarse como H2) y él oxígeno gaseoso contiene moléculas O-O (O2). Sin embargo, cualquier muestra pura de un elemento contiene únicamente átomos de dicho elemento, nunca de otro elemento. Un compuesto siempre contiene átomos de elementos diferentes. Por ejemplo, el agua contiene átomos de hidrógeno y de oxígeno y siempre hay exactamente el doble de átomos de hidrógeno porque el agua consta de moléculas H-O-H . Mezclas y sustancias puras Prácticamente toda la materia que nos rodea consta de mezclas de sustancias. Por ejemplo, el aire que respiramos es una mezcla compleja de gases como oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua,. Una mezcla se caracteriza por tener composición variable. Por otra parte una sustancia pura, siempre tiene la misma composición. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos. Las propiedades de una sustancia pura hacen posible identificarla con toda claridad. Ahora prepara una mezcla con sus “ingredientes" y determina la concentración de los mismos Ingredientes Cantidad unidad Proporción (en %)

Ahora bien, si se alteran las proporciones de los ingredientes ¿seguirá siendo una mezcla? Entonces ¿cómo podemos definir una mezcla? Una mezcla es la “unión” de varias sustancias pero con composición variable. A partir de una mezcla se pueden obtener por métodos físicos sustancias puras y a partir de las sustancias puras compuestas aplicando métodos químicos se pueden obtener sustancias puras simples. 2.6. SOLUCIONES. SOLUTO. SOLVENTE

La palabra solución para los químicos describe lo que sucede por ejemplo entre el azúcar y el té. En las palabras de los químicos decimos que cuando un material cualquiera se mezcla con un líquido y se forma un sistema homogéneo, este sistema es una solución (o disolución). Una idea útil para comprender que es lo que ocurre cuando los materiales se mezclan y forman una solución (¿desaparece el azúcar? Disolver un material es una forma de separar sus partículas. ¿Cómo se denomina a cada uno de los componentes de este sistema? El componente que está en exceso se denomina disolvente. El, o los componentes que se encuentran en menor proporción se denominan solutos. 2.7 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS HOMOGÉNEOS.

De acuerdo a lo visto hasta el momento podríamos distinguir tres tipos de sistemas homogéneos: Soluciones: sistemas constituidos por dos o mas componentes, de composición variable, que solo es fraccionable por métodos físicos. Elementos: esta constituido por un solo tipo de átomos, posee propiedades físicas y químicas características. Compuestos o sustancia pura: posee una composición definida, no es fraccionable y sus propiedades físicas son invariables.

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Marque con una cruz la respuesta correcta: a- Cuando en un sistema material existe superficie de separación es: * homogéneo * heterogéneo b- Los sistemas homogéneos son aquellos que constan de: * una fase * dos o más fases * dos fases * varias fases c- Los sistemas heterogéneos son aquellos que constan de: * una fase * dos o más fases * dos fases * varias fases Dibuja un esquema del sistema material formado por : trozos de hielo, agua salada y clavos a- escribe el nombre de las fases b- indica el número de fases y componentes c- clasifica el sistema material Lee con atención los siguientes sistemas materiales y coloca en el paréntesis la letra que corresponda:  salmuera con cristales de sal ( )  agua con trozos de hielo ( ) A: sistema homogéneo  agua ( )  un litro de salmuera ( ) B: sistema heterogéneo  granito ( ) Indique el conjunto de opciones correctas: I- una sustencia que durante la fusión mantiene su temperatura constante es una sustancia pura II- las propiedades extensivas puden identificar una sustancia pura III- mediante la decantación podemos determinar si un sistena material es sustancia pura o solución. Son correctas: a- I y II b- solo I c) solo III d) ninguna e) I y III 2.8 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS HETEROGÉNEOS

Los sistemas heterogéneos también pueden ser denominados como sistemas dispersos o dispersiones. La fase que contiene a las otras se denomina fase dispersante (también en algunos casos se habla de solución o solvente), mientras que las demás se denominan fase dispersa y generalmente se encuentra en menos proporción. Para clasificar estos sistemas debemos considerar el tamaño de las partículas de la fase dispersante 2.8 .1 Dispersiones En una mezcla homogénea ó aparentemente homogénea, por lo general existe una sustancia que esta presente en mayor cantidad, y otra ú otras, que se encuentran en menor proporción, dispersas en la primera. Estos dos componentes se conocen como, sustancia dispersora y sustancias dispersas. En base al tamaño de las partículas de la fase dispersa podemos clasificar las dispersiones en disoluciones, coloides y suspensiones. Disoluciones, se denominan así las diluciones homogéneas cuyas partículas dispersas poseen el tamaño de átomos ó moléculas; el componente en exceso se denomina disolvente, y el que se encuentra en menor proporción se llama soluto. Según el estado de agregación, las disoluciones pueden ser sólidas, líquidas ó gaseosas. Fase dispersante gaseosa

líquida

sólida

Fase dispersa gaseosa líquida sólida gaseosa líquida sólida gaseosa líquida sólida

Ejemplo

2.8 .2 Coloides Cuando las partículas de una mezcla homogénea tiene aproximadamente un tamaño entre 10 a 10.000 veces mayor que el de un átomo, se dice que tenemos un sistema coloidal, denominándose fase dispersante al disolvente y fase dispersa al soluto. 3Sistemas-Materiales_Apic

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Estas dispersiones mucha veces poseen partículas que por su tamaño no sedimentan, ni pueden ser separadas por los filtros comunes, por lo que son homogéneas y pueden confundirse con las disoluciones. Una diferencia importante es el hecho que presentan el efecto Tindal, o sea las partículas dispersas son capaces de refractar la luz. Si la fase dispersa es un líquido inmisible, en forma de pequeñas gotas, la dispersión coloidal se denomina emulsión. 2.8 .3 Suspensiones Se habla de suspensiones cuando las partículas tienen un tamaño mayor al de los coloides por ejemplo arena ó aserrín en agua. Cuando la fase dispersa es insoluble y su tamaño lo suficientemente grande como para diferenciarse de las dispersiones coloidales. Estos sistemas son heterogéneos y pueden ser separados fácilmente por filtración. 1.15 PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES, LOS COLOIDES Y LAS SUSPENSIONES. PROPIEDADES

DISOLUCION

Tamaño de la partícula Homogeneidad Acción de la gravedad Filtrabilidad Ejemplos sanguíneos

< que 1 nm Homogénea No sedimenta No filtrable Sal Urea

COLOIDE

de 10 a 10.000 nm En el límite Puede sedimentar No filtrable Albúmina Fibrinógeno

SUSPENSION

> que 10.000 nm Heterogénea Sedimenta Filtrable Células rojas Células blancas

2.9 METODOS DE FRACCIONAMIENTO Y SEPARACION

Existen diferentes métodos físicos utilizados para separar fases o componentes en los sistemas materiales. Estos se clasifican en:  Métodos de separación de fases en sistemas heterogéneos  Métodos de separación de componentes en sistemas homogéneos 2.9 .1 Métodos de separación de componentes en sistemas homogéneos a- Destilación: los distintos tipos de destilación consisten en calentar el sistema hasta el punto de ebullición, evaporándose los componentes que se separan por condensación de los vapores. Según el tipo de solución que se someta a ebullición pueden distinguirse:  Destilación Simple: lo que interesa obtener es el líquido puro que se evapora, el resto de los componentes son sólidos no volátiles. Ejemplo destilación del agua de río para separarla de sus sales.  Destilación Fraccionada: sirve para separa líquidos aprovechando la diferencia entre sus puntos de ebullición. Ejemplo destilación del petróleo b- Cristalización: consiste en evaporar el líquido que posee disuelto la sustancia o compuesto que se quiere obtener puro. Al evaporarse el solvente el compuesto se cristaliza. c- Extracción con solventes: se utiliza la diferencia de solubilidades de un sólido en dos solventes inmiscibles. Ejemplo: se extrae una sustancia orgánica como un pesticida disuelto en agua, aprovechando su mayor solubilidad en un solvente orgánico como hexano. Se debe conocer el coeficiente de reparto par un determinado solvente, a una temperatura constante. d- Métodos Cromatográficos: puede ser sólida-líquida, líquida-líquida- ó gas-sólido. Siempre existe una fase que permanece estacionaria y otra denominada fase móvil, esta última arrastra los compuestos a separar a través de la fase estacionaria. La separación se produce debido a la diferencia de adsorción de los componentes respecto de la fase estacionaria. O a la diferencia en el coeficiente de reparto de los componentes a separar. Se utiliza para separar sustancias muy complejas, o muy parecidas, o que se pueden destruir por los métodos tradicionales. 2.9.2 Métodos de separación de componentes en sistemas heterogéneos a- Tría: consiste en la separación mecánica de los componentes de una mezcla grosera. Ejemplo: sacar con la mano o pinza los hielos de un vaso b- Tamización: se utiliza cuando se tiene sólidos de diferente granulometria. Ejemplo: separación del ripio y la arena, o arena gruesa y arena fina. c- Disolución: El compuesto a separar no es soluble, o posee una solubilidad muy distinta al líquido que se utiliza para disolver los componentes no deseados. Ejemplo separación de arena y sales disolviendo con agua las segundas. 3Sistemas-Materiales_Apic

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d- Sublimación: por calentamiento suave se volatiliza una de los componentes. Al enfriarse los vapores obtenidos la sustancia se sublima obteniéndosela pura. Ejemplo separación de naftalina de otros compuestos. e- Filtración: se separa un sólido de un líquido haciéndolo pasar por una pared porosa denominada filtro. Ejemplo separación de tierra y agua f- Decantación: se separa un sólido de un líquido aprovechando el afecto de la gravedad sobre las partículas de sólido. Deben ser lo suficientemente grandes para depositarse en el fondo del recipiente. Ejemplo separación de tierra y agua. También se pueden separar dos líquidos que no son miscibles, ejemplo: agua y aceite utilizando una ampolla de decantación. g- Centrifugación: separa un sólido de un líquido o un líquido de un sólido aprovechando el afecto de la gravedad sobre las partículas de sólido. Al centrifugar disminuye el tiempo de decantación. Ejemplo secado por centrifugado de ropa, separación de glóbulos blancos del suero de la sangre. h- Levigación: consiste en la separación de una sustancias sólidas en polvo con agua, de otras de mayor granulometría ó más densas. i- Flotación: se utiliza para separar sólidos. Ejemplo aserrín de otras impurezas j- Imantación: se utiliza para separar sólidos uno de los cuales posee propiedades magnéticas. k- Extracción, filtración y evaporación: se usa para separar dos sólidos, uno soluble en un solvente y otro que no lo es. Ejemplo: Se tiene una sal como el sulfato de cobre mezclado con arena, se disuelve la sal en agua, se filtra y el filtrado se evapora a sequedad obteniendo el sulfato de cobre puro. 5

Lee cuidadosamente e indica la cantidad de fases y componentes de cada sistema material. a- tinta china ......................................... b- gelatina ....................................................... c- gotas de aceite dispersas en agua........... d- agua de río filtrada ....................................... e- polvo de tiza en agua con alcohol ...........

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Proponga un sistema heterogéneo formado por: a- 4 fases y 3 componentes b-

3 fases y 4 componentes

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Dado los siguientes sistemas I - agua y azúcar en cantidades no saturables III -agua y hielo II – limaduras de hierro, arena y agua IV – oxigeno gas Se puede afirmar que: a- existen dos sistemas homogéneos de una sola fase, uno de ello solución, el otro sustancia pura b- los sistemas I y IV pueden ser fraccionables c- los sistemas II y III son heterogéneos y coinciden en el número de fases con el número de componentes d- existen dos sistemas separables por métodos físicos o mecánicos, 1 sistema fraccionable y un sistema que no se puede separar por ningún método conocido e- las opciones a y d son correctas

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¿Cuántas fases y cuántos componentes? Hay en un sistema material formado por vapor de agua, dos litros de agua líquida y ocho gramos de carbón en polvo.

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De las dos listas detalladas a continuación. Coloque en el paréntesis de cada sistema heterogéneo, el número del método más apropiado para separar las fases que constituyen dicho sistema: Sistemas heterogéneos Métodos separativos Azufre en polvo y limaduras de hierro ( ) 1-Flotación Arena y corcho molido ( ) 2-Decantación Agua y arena ( ) 3-Magnetismo Arena y Arena y sal común ( ) 4-Tamización Arena y Azufre en polvo ( ) 5-Disolución 10 Completa o tacha según corresponda: a) --------------------- no pueden descomponerse en sustancias más sencillas por métodos químicos. b) Cierto elementos tienen afinidades especificas hacia otros. Esto ocasiona que se unan entre sí de manera especial para formar ------------------------c) Un compuesto siempre tiene una (misma/distinta) composición y una combinación de átomos (variable/ igual) 3Sistemas-Materiales_Apic

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d) Una muestra pura de ------------------------- contiene un solo tipo de átomos. Los compuestos pueden descomponerse en --------------------------- por cambios químicos. f) Las propiedades de un compuesto suelen ser (muy distintas/ muy similares) a las de los elementos que lo constituyen. 11 Clasifique como sistema heterogéneo, soluciones, sustancias puras elementos y compuesto según corresponda:  agua de mar * gasolina  mercurio * bicarbonato de sodio  un trozo de níquel * vapor de agua  aderezo para ensalada * una tableta de vitaminas 12 Indica que método utilizarías para separar los siguientes sistemas: a- Dos fases sólidas de distinto tamaño b- Dos líquidos miscibles de puntos de ebullición diferentes c- Una fase sólida dispersa en un líquido. d- Dos fases líquidas no miscibles entre si y puntos de ebullición similares. 13 Se destila un sistema homogéneo y se recogen varias muestras: ¿Cómo se denomina el sistema si? a- Las propiedades intensivas de todos los sistemas son iguales. ................................................... b- Las propiedades intensivas del sistema inicial y finales son diferentes. .....................................

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