Sustancias puras y mezclas. Elementos y compuestos.

El hombre en su quehacer cotidiano se encuentra con numerosas formas de manifestarse la materia, pero básicamente puede clasificarlas en dos grandes categorías, sustancias puras y mezclas. Esto se hace tomando en cuenta su homogeneidad en composición y propiedades.

Un material puede ser homogéneo (de composición y propiedades uniformes) o heterogéneo (de composición y propiedades no uniformes). Un material heterogéneo es una mezcla, y cada porción homogénea de la misma es, desde el punto de vista químico, una fase. Una fase homogénea de composición uniforme e invariable es una sustancia pura. Una fase homogénea de composición variable es una disolución.

Las mezclas se separan en sus componentes por procesos físicos, mientras que los compuestos se separan en sus constituyentes por procesos químicos. Las mezclas son combinaciones de sustancias puras en proporciones variables, mientras que las sustancias puras comprenden los compuestos y los elementos. Las mezclas se clasifican en homogéneas (soluciones) y heterogéneas. En una mezcla heterogénea pueden distinguirse con facilidad las diferentes fases que forman la mezcla, mientras que en una mezcla homogénea no hay distinción de fases.

Las sustancias puras tienen una composición invariable y están compuestas bien por elementos o por compuestos químicos. Los elementos son sustancias que no pueden ser descompuestas en sustancias más sencillas por medios químicos. Los compuestos químicos pueden ser descompuestos por medios químicos en dos o más elementos

Un esquema útil para entender esta clasificación se muestra en el esquema siguiente:

 

 

Los compuestos están formados por una combinación de elementos en una proporción definida. Si analizamos el amoníaco, siempre encontraremos que está formado por un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno, nunca encontraremos otra proporción. Sin embargo, si analizamos un acero al cromo, veremos que puede tener una infinita cantidad de proporciones (aunque sea en un intervalo dado), de átomos de Fe y de Cr.

Algunos elementos químicos y sus símbolos, se muestran en la siguiente tabla.

 

Elemento

Símbolo

Elemento

Símbolo

Carbono

C

Helio

He

Fluor

F

Magnesio

Mg

Hidrógeno

H

Platino

Pt

Yodo

I

Silicio

Si

Nitrógeno

N

Cobre

Cu (cuprum)

Oxígeno

O

Hierro

Fe (ferrum)

Fósforo

P

Plomo

Pb (plumbum)

Azufre

S

Mercurio

Hg (hydrargyrum)

Aluminio

Al

Potasio

K (kalium)

Bario

Ba

Plata

Ag (argentum)

Calcio

Ca

Sodio

Na (natrium)

Cloro

Cl

Estaño

Sn (stannum)

 

Propiedades de las sustancias.

Como ya se mencionó cada sustancia tiene un conjunto de propiedades que la diferencias de los demás. Una caracterización completa de una sustancia puede involucrar la determinación de muchas propiedades físicas y químicas. No obstante hay varias propiedades que nos pueden ser de gran utilidad en la identificación primaria de muchas sustancias químicas en el laboratorio. Para ello es preciso acudir a determinados ensayos que nos darán los valores cuantitativos y cualitativosde estas propiedades. En principio algunas de estas propiedades son:

 

La determinación del punto de fusión se aplica a sustancias que en condiciones normales vemos en estado sólido. Igualmente la determinación del punto de ebullición se le realiza comúnmente a sustancias que en las condiciones normales están en estado líquido. Una forma clásica de determinar el punto de fusión consiste en colocar una pequeña cantidad de muestra en un tubo capilar, que se coloca a su vez en un tubo de Thiele (ver figura 1), el cual permite un calentamiento uniforme y gradual. Cuando se nota que se forma una gotita de líquido o que la sustancia se reblandece, se lee la lectura del termómetro. Esta determinación se realiza hoy en día en aparatos automatizados como el Fisher-Johns (figura 2). Es bueno señalar que la temperatura de fusión puede indicarnos el grado de pureza de una sustancia. Las sustancias puras generalmente funden en un rango estrecho. La observación de un rango amplio en la temperatura de fusión, indica que hay una mezcla de al menos dos sustancias.

 

 

Figura 1                                                                                Figura 2                          

Para la determinación del punto de ebullición se pueden utilizar técnicas macro, mini y micro. La determinación macro consiste en montar una unidad de destilación. Este método es relativamente exacto (± 5 ºC), con la ventaja de que al determinar el punto de ebullición se purifica de una vez la muestra. Como desventajas tenemos que se emplea bastante muestra (más de 5 ml) y se emplea un tiempo considerable.

A escala mini se colocan aproximadamente 2 ml de la muestra en un minitubo y el termómetro se coloca a 1.5-2.5 cm de la superficie. Se calienta suavemente y se determina el punto de ebullición cuando se condensan las gotitas del compuesto en el termómetro (figura 3).

La determinación micro se hace con un capilar cerrado por un extremo, que se inserta con el extremo abierto hacia abajo en un tubo pequeño donde se ha depositado la muestra problema hasta una altura de 1.5 cm aproximadamente (figura 4). Para sostener al capilar se le coloca un pedazo de capilar encima. Todo este dispositivo se puede colocar dentro de un tubo de Thiele por ejemplo, para logran un calentamiento suave y uniforme. Al calentar la muestra, del interior del capilar comienzan a salir al principio burbujas de aire, y su interior se va llenando de vapores de la sustancia, saliendo las burbujas más lentamente. En el momento en que la presión de estos vapores iguala la atmosférica, dejan de salir burbujas y el líquido penetra en el capilar, y esta temperatura se toma como la temperatura de ebullición de la sustancia bajo ensayo.

                                                               

                                 Figura  3                                                             Figura 4

 

Otra determinación sencilla e importante para identificar sustancias, es la determinación de su densidad. Para ello debemos medir la masa de u volumen determinado de la sustancia y determinar la densidad como el cociente de la masa entre el volumen:

Para las sustancias líquidas un procedimiento adecuado es la utilización del picnómetro. En principio se realiza pesando vacío el picnómetro, lleno de agua destilada (se observa la temperatura y conociendo la densidad exacta del agua a esa temperatura se tiene el volumen del picnómetro) y lleno con la sustancia para determinar por diferencia con el picnómetro vacío la masa de sustancia. Teniendo la masa de sustancia y el volumen que ocupa a una temperatura dada, se determina su densidad a la temperatura de ensayo. Un procedimiento aceptado puede ser emplear un vial que nos indique el volumen con exactitud, digamos un ml, pesarlo vacío, añadir 1 ml de la sustancia y volver a pesar.

El índice de refracción es otra propiedad fácil de medir y que nos caracteriza a una sustancia. El fenómeno de la refracción tiene su origen en que la velocidad de la luz en dos medios de características de propagación diferentes es también diferente, lo que ocasionara que ocurra el fenómeno de la refracción o sea que el ángulo de incidencia de la luz con la normal en la superficie será diferente al ángulo de salida (motivo por el cual si usted coloca un objeto en un recipiente transparente con agua, notará como si el objeto se “cortara” en la interfase aire agua. Expresado en una fórmula (ver figura 5):

donde los subíndices r y m se refieren al vacío o el aire y al medio, respectivamente.

Para esta determinación se utilizan los refractómetros, que tienen diferentes diseños, desde equipos de mano (figura 6) hasta equipos de mesa provistos de accesorios para mantener temperaturas constantes en los prismas y la muestra. Hoy en día se dispone de refractómetros basados en la técnica de fibra óptica (figura 7), lo que lleva esta determinación a un grado de sencillez muy alto.

 

            

Figura 5                                      Figura 6                                                Figura 7

 

Una vez determinadas las propiedades de las sustancias, comparamos con los valores que se encuentran en la literatura y tenemos una identificación (o caracterización primaria según sea el caso), de la sustancia que estamos estudiando.

 

Principales tipos de compuestos químicos.

Antes de comenzar el estudio de las propiedades químicas de los elementos y sus compuestos, resulta necesario ver cuáles son los principales tipos de compuestos químicos y como se nombran. Es necesario tomar en cuenta que los compuestos del carbono forman una familia especial y que serán vistos en el capítulo correspondiente a la química orgánica. También en ese capítulo se verá su nomenclatura, o sea la manera de nombrarlos. Así pues nos referiremos de inmediato a los compuestos químicos que no incluyen a los compuestos orgánicos.

Cuando observamos las fórmulas de las compuestos químicos o sustancias compuestas nos dicen claramente si el compuesto está formado por átomos de un sólo elemento, de dos, tres o más; de acuerdo a esto podemos clasificarlas en:

Es necesario considerar que en muchos casos tenemos fórmulas que representan átomos o grupos de átomos que por la pérdida o ganancia de electrones han adquirido cierta carga eléctrica. Estas especies químicas denominadas iones, pueden presentar carga positiva en cuyo caso se denominan cationes, o carga negativa en cuyo caso se denominan aniones.

Mucho se facilita el estudio de los compuestos si atendemos a ciertas características comunes que existen entre diferentes grupos o familias. De acuerdo a esto tenemos que existen las siguientes funciones químicas fundamentales:

 

 

CONTINUAR

REGRESAR