domingo, 13 de junio de 2021

8. Sustancias puras e impuras | 💎 Propiedades de la materia | Joseleg

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 Además de su clasificación por estado físico, la materia también puede clasificarse en términos de su composición química como sustancia pura o como mezcla.

Figura 81.  Clasificación de la materia. Clasificación de la materia dependiendo de la posibilidad de separar sus componentes. Tenga en cuenta que los elementos pueden encontrarse como moléculas como en el caso del oxígeno O2 o como átomos libres en el caso de los gases nobles como He, y que el concepto de molécula en el diagrama agrupa no solo a las moléculas covalentes, sino también a agrupaciones iónicas como NaCl y a metales puros como el hierro.

Sustancias puras

Una sustancia pura es un tipo único de materia que no puede separarse en otros tipos de materia por ningún medio físico. Todas las muestras de una sustancia pura contienen solo esa sustancia y nada más. El agua pura es agua y nada más. La sacarosa pura (azúcar de mesa) contiene solo esa sustancia y nada más. Una sustancia pura siempre tiene una definición y composición constante. Esta composición invariante dicta que las propiedades de una sustancia pura son siempre las mismas bajo un conjunto dado de condiciones. Colectivamente, estas propiedades físicas y químicas definidas y constantes constituyen el medio por el cual identificamos la sustancia pura.

Compuestos

Los compuestos son sustancias puras generadas por moléculas de diferentes tipos de elementos como por ejemplo el agua que está formada por la unión de hidrógeno y oxígeno.

Elementos

Los elementos son tipos de átomos que generan a los compuestos, en general se los define con base a la cantidad de cargas positivas que tienen los núcleos de sus átomos, lo cual provoca que posean propiedades químicas semejantes. Aunque por lo general una muestra de un elemento puro es consistente en sus propiedades químicas y la mayoría de sus propiedades físicas, existen algunas propiedades físicas que difieren y permiten dividirlos en isótopos, estas propiedades son la masa del átomo y en ocasiones la capacidad de ser radioactivos. Tener una muestra de un elemento purificado a nivel isotópico es el tipo de materia más pura que se puede tener.

Figura 82.  Las sustancias mostradas anteriormente son puras, pero la izquierda es compuesta (óxido férrico Fe2O3) y la de la derecha es elemental (carbono amorfo puro C).

Mezclas

Una mezcla es una combinación física de dos o más sustancias puras en la que cada sustancia conserva su propia identidad química, aun cuando, la mezcla como un todo pueda poseer propiedades emergentes provenientes de la interacción de los componentes de la mezcla. Los componentes de una mezcla conservan su identidad porque se mezclan físicamente en lugar de combinarse químicamente. Considere la posibilidad de una mezcla de pequeños cristales de sal de roca y arena ordinaria. Mezclar estas dos sustancias no cambia la sal ni la arena de ninguna manera. Las partículas de sal más grandes e incoloras se distinguen fácilmente de los gránulos de arena más pequeños, de color gris claro. Una característica de cualquier mezcla es que sus componentes se pueden separar utilizando métodos físicos. En nuestra mezcla de sal y arena, los cristales de sal más grandes podrían ser, aunque muy tediosamente, "manualmente" de la arena. Un método de separación algo más fácil sería disolver la sal en agua, lo que dejaría atrás la arena no disuelta. La sal podría recuperarse por evaporación del agua. Una mezcla de azufre sólido (polvo amarillo) y ferrita de hierro. Se puede usar un imán para separar los componentes de esta mezcla. Otra característica de una mezcla es la composición variable. Se pueden hacer numerosas mezclas diferentes de sal y arena, con composiciones que varían desde una mezcla de arena ligeramente salada hasta una mezcla de sal ligeramente arenosa, variando las cantidades de los dos componentes.

Mezclas heterogéneas

Las mezclas se subclasifican como heterogéneas u homogéneas. Esta subclasificación se basa en el reconocimiento visual de los componentes de la mezcla. Una mezcla heterogénea es una mezcla que contiene fases (partes) visiblemente diferentes, cada una de las cuales tiene propiedades diferentes. Una apariencia no uniforme es una característica de todas las mezclas heterogéneas. Los ejemplos incluyen galletas con chispas de chocolate y muffins de arándanos. Las mezclas heterogéneas que ocurren naturalmente incluyen rocas, suelos y madera.

Figura 83.  Aunque el agua potable parece una sustancia pura compuesta (H2O), en realidad es una mezcla homogénea que contiene iones de cloro, sodio, potasio y otros minerales. Las mezclas heterogéneas si permiten identificar claramente las sustancias combinadas.

Mezclas homogéneas

Una mezcla homogénea es una mezcla que contiene solo una fase (parte) visiblemente distinta, que tiene propiedades uniformes en todo. Los componentes presentes en una mezcla homogénea no se pueden distinguir visualmente. Una mezcla de agua y azúcar en la que se ha disuelto todo el azúcar tiene una apariencia similar a la del agua pura. El aire es una mezcla homogénea de gases; el aceite de motor y la gasolina son mezclas multicomponentes homogéneas de líquidos; y las aleaciones de metales tales como el oro de 14 quilates (una mezcla de cobre y oro) son ejemplos de mezclas homogéneas de sólidos. La homogeneidad presente en las aleaciones metálicas de estado sólido se logra mezclando los metales mientras están en estado fundido.

La controversia Bertholet-Proust

La diferencia que hacemos en el diagrama de clasificación de la materia, tan intuitivo para nosotros, fue un tema de arduo debate para los químicos del siglo XIX y se resume en lo que ha venido a denominarse: la controversia Bertholet-Proust.

La controversia de Berthollet-Proust y la teoría atómica de Dalton son dos hitos históricos importantes que aparecieron casi simultáneamente a principios del siglo XIX. Por tanto, es probable que entre la teoría de las proporciones definidas -uno de los principales temas de la controversia- y la teoría atómica de Dalton existiera una importante interrelación, y que se reforzaran mutuamente (Fujii, 1986; Hartog, 1894).

Figura 84.  Proust afirmaba que los elementos se combinan en una proporción fija; para Berthollet es variable. ¿quién tenía razón?

El tema principal de la controversia Bertholet-Proust consiste en si los cuerpos se combinarían en proporciones definidas y cuál era la demarcación real entre compuestos y mezclas. Claude Louis Berthollet se opuso a la idea de Bergman y Proust de que cuando dos sustancias se combinaban tendrían una afinidad selectiva entre sí y siempre se combinarían en proporciones constantes. Berthollet sostuvo que la afinidad era un concepto relativo, que variaba con las condiciones físicas que acompañaban a una reacción  (Fujii, 1986; Hartog, 1894).

La razón de esta discrepancia consiste en que cuando estos químicos hablaban de cuerpos, no diferenciaban entre una mezcla homogénea y un cuerpo puro de un compuesto, por la razón de que las mezclas homogéneas aparentan ser sustancias puras. En una disolución los componentes de la mezcla son variables y dependerán de condiciones externas, que sería la idea que tenía Berthollet de un cuerpo. Sin embargo, al interior de los cuerpos no solo existen mezclas, también hay sustancias puras compuestas que siempre se generaban al hacer reaccionar proporciones definidas de otros cuerpos, por ejemplo, al sintetizar cloruro de sodio, el cual siempre requería las mismas cantidades relativas de sodio metálico y gas de cloro.

De lo anterior debemos tener en cuenta que la ley de proporciones que enunciaremos en capítulos posteriores está enfocada a sustancias puras compuestas como el cloruro de sodio sólido, o el agua ultrapura y no mezclas homogéneas o disoluciones las cuales si poseen una composición variable medida por las unidades de concentración.

 


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