MATERIA: SISTEMAS MATERIALES

MATERIA: SISTEMAS MATERIALES

Los sistemas materiales son cuerpos, sustancias, partes de un cuerpo o conjuntos de cuerpos y sustancias que se encuentran juntos. Son porciones de la naturaleza material que separamos para estudiar

Estos sistemas se suelen clasificar a simple vista en dos grandes grupos: HOMOGÉNEOS, cuando se puede observar una sola fase, es decir que dan la apariencia de estar formados por un solo componente y las propiedades son las mismas en todos los puntos del sistema; HETEROGÉNEOS, cuando se observan dos o más fases, aún cuando estas fases puedan corresponder a diferentes estados de un mismo componente, y se observan diferentes propiedades en distintos puntos del sistema.

Se llama fase a cada parte homogénea en un sistema heterogéneo y componente a cada una de las sustancias que se encuentran mezcladas en el mismo. La cantidad de fases y componentes es variada e independiente, es decir un sistema puede tener tres fases y un solo componente como ocurre con el agua que puede estar en el mismo sistema en los tres estados o puede tener tres componentes y una sola fase como ocurre en una mezcla de sal agua y azúcar.

Cada uno de ellos puede subdividirse en distintas clases, Por ejemplo:

Las sustancias son las distintas clases de materia que presentan propiedades específicas constantes y una composición definida. No pueden separarse ni fraccionarse. Son las verdaderas especies químicas.

Las sustancias simples son las que no pueden descomponerse en nada más sencillo porque son lo más sencillo que hay; están formadas por un solo elemento químico. Algunos elementos tienen la propiedad de formar distintas sustancias simples según la forma de agrupación de sus átomos, se dice entonces que presentan variedades alotrópicas. Son sustancias simples los metales como el hierro, cobre, oro, cinc, sodio, etc., y otras no metálicas como el azufre, nitrógeno, cloro, etc. El oxígeno y el ozono son variedades alotrópicas del oxígeno; el carbón, el grafito y el diamante son variedades alotrópicas del carbono

Las sustancias compuestas son las que están compuestas por dos o más elementos y por lo tanto pueden descomponerse en otras más sencillas. La Ley de las Proporciones Definidas o Constantes, de Joseph Louis Proust, una de las primeras leyes de la Química, sostiene al respecto que “Una misma sustancia compuesta tiene siempre los mismos elementos unidos en la misma proporción de masas”. Hay sustancias compuestas minerales como la sal común o cloruro de sodio, el yeso o sulfato de calcio, el dióxido de carbono, el agua. Hay también sustancias compuestas orgánicas como el azúcar común o sacarosa, el alcohol etílico, el ácido cítrico, las proteínas, etc.

Las soluciones son las mezclas homogéneas, es decir sistemas formados por dos o más componentes pero que presentan una sola fase, ya que las partículas de la fase disuelta son más pequeñas de lo que puede observar cualquier microscopio (< 0,1 nm). Por esto son claras y transparentes, no decantan ni filtran y sólo se pueden separar por alguno de los métodos de fraccionamiento. El componente que determina el estado de la solución o que se encuentra en mayor proporción es el solvente, y el de menor proporción es el soluto. Una solución puede tener un solvente y varios solutos o también varios solventes. Son soluciones naturales por ej. el agua mineral, el agua de mar, el aire, el azúcar en la sangre, algunos derivados del petróleo, etc.
De acuerdo con el estado de agregación de sus componentes, las soluciones se clasifican: 

Solutoà Solvente↓	SÓLIDA	LÍQUIDA	GASEOSA
SÓLIDO	BRONCE	SAL HÚMEDA	ADSORCIONES
LÍQUIDO	AGUA MINERAL	VINAGRE	OXÍGENO EN AGUA
GAS	AROMAS	HUMEDAD EN AIRE	AIRE

El bronce, como todas las aleaciones metálicas, es una disolución de dos metales o más (en este caso estaño y cobre) que se unen tan profundamente que adquieren propiedades especiales sin que pueda considerarse un fenómeno químico.
Las adsorciones son sistemas muy particulares en los que las moléculas de un gas quedan atrapadas en la superficie de las partículas de un sólido. Así atrapan a los gases tóxicos los componentes activos de una máscara antigases por ejemplo.
La gran mayoría de los aromas de flores, frutos y también los desagradables, se deben a moléculas de sustancias sólidas que se dispersan en el aire y así llegan a nuestro membrana olfatoria.

Los coloides son sistemas heterogéneos, en el límite con lo homogéneo, es decir las partículas de la fase dispersa (generalmente sólidas dispersas en un líquido), llamadas micelas, son tan pequeñas (< 1 µm) que sólo se ven con un buen microscopio. Sin embargo a diferencia de otras mezclas heterogéneas, los coloides no decantan y presentan el Efecto Tyndall, que consiste en dispersar un haz de luz que los atraviesa, cosa que no hacen las soluciones. Son coloides por ejemplo los geles y gelatinas, la yema del huevo, las proteínas de la leche, etc.

Las emulsiones son sistemas heterogéneos formados por la mezcla íntima de dos líquidos insolubles. Esto se logra generalmente mediante la acción de un agente emulsionante. Son emulsiones por ejemplo muchas cremas usadas en cosmética, la grasa de la leche, la mayonesa, etc.

Las suspensiones son mezclas que tienen una fase de partículas finamente divididas pero visibles (>1 µm) en un estado de agregación y otra fase continua en otro estado de agregación. Por ejemplo: el agua turbia de un río (sólido en líquido), la neblina (líquido en un gas), la espuma (gas en un líquido), el humo (sólido en un gas), etc.

Como dispersiones se suele considerar a todos los sistemas heterogéneos en los que las fases estén mezcladas, pero más en particular a las mezclas de dos sólidos con partículas fácilmente observables, como por ejemplo, la tierra,  la arcilla, la arena, etc.

La combinación de dos elementos o sustancias para formar otra, así como la descomposición de una sustancia compuesta en otras más sencilla son fenómenos químicos; la separación de fases, el fraccionamiento, así como la mezcla o disolución son en cambio fenómenos físicos, ya que las sustancias mezcladas siguen conservando sus particularidades.

También se pueden clasificar los sistemas heterogéneos o dispersiones por el estado de agregación de la fase dispersa, (la que se encuentra en menor proporción) y de la fase dispersante, (la que está en mayor cantidad).

Fase Dispersaà Fase Dispersante↓	SÓLIDA	LÍQUIDA	GASEOSA
SÓLIDO	HARINA	BARRO	PIEDRA POMES
LÍQUIDO	PINTURA	CREMA	GASEOSAS
GAS	HUMO	NIEBLA	NO (Todos los gases son solubles)

MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE FASES

Los métodos de separación de fases son procedimientos físicos y mecánicos destinados a separa las diferentes fases de una dispersión. En estos procesos las sustancias no se transforman sólo se separan. El método usado depende de las características de las fases del sistema. Por ejemplo:

TRÍA: Es una operación manual en la que se separan fases fácilmente observables de un sistema de pocos componentes sólidos o de una muestra pequeña del mismo. Por ejemplo las frutas defectuosas de las sanas en un sector de encajonado.

TAMIZACIÓN: Es un método utilizado para separa dos fases sólidas con particulado de diferente tamaño mediante un tamiz, criba o cernidor con perforaciones adecuadas para que deje pasar la fase más pequeña y retenga la más grande. Así se separan por ejemplo semillas de diferentes cereales o la arena  o la harina.

FILTRACIÓN: Es un método usado para separar un sólido insoluble  de un líquido. Consiste en hacer pasar la dispersión por un filtro que retiene las partículas sólidas y deja pasar el líquido. Así se separan por ejemplo las impurezas de la leche en las plantas de pasteurización. En muchos casos se usan filtros prensa, como en la extracción de aceites de oliva o girasol

DECANTACIÓN: Es el método usado para separar dos líquidos no miscibles de diferentes densidades o un sólido insoluble. Consiste simplemente en dejar el sistema en reposo durante un tiempo de modo que la fase más densa se deposita en el fondo y la menos densa queda arriba. Así se separan por ejemplo las impurezas sólidas en los procesos de potabilización de aguas de río.

FLOTACIÓN: Este método se usa para separa minerales finamente divididos que tienen diferentes afinidades por un determinado líquido o gas. Consiste en hacer burbujear un gas en la masa barrosa que contiene a la dispersión y un agente que genere espuma. La espuma arrastra hacia la superficie las partículas de una de las fases y deja en el fondo a las otras. Se utiliza especialmente en la concentración de determinados minerales livianos como los sulfuros de cobre o de hierro en la industria metalúrgica.

CENTRIFUGADO: Se utiliza para separar líquidos no miscibles o un sólido de un líquido. Consiste en someter al sistema a la acción de una máquina centrífuga que acelera la decantación, enviando la fase más densa hacia el exterior del círculo de giro mientras que la menos densa queda en el interior. Así separa la crema de la leche en la industria láctea o algunos componentes de la sangre en un laboratorio bioquímico.

IMANTACIÓN: Es un método para separar partículas de hierro de un sistema. Consiste en hacer pasar el sistema (generalmente sólido) por unas zarandas imantadas o desplazar un imán por la superficie del sistema de modo que retenga las partículas de hierro. Se utiliza en la limpieza de cereales que han sido maquinados y arrastran partículas de hierro de las máquinas de tratamiento o acarreo.

EVAPORACIÓN: Se utiliza para separar un líquido de un sólido mediante calor o corrientes de aire. Así se seca la ropa tendida, o las semillas de cereales, o el azúcar separado de la caña, etc.

VENTILACIÓN: Se utiliza para separar sistemas sólidos con una fase muy liviana que es arrastrada por corrientes de aire. Así se separan por ejemplo las cáscaras de algunos cereales.

LEVIGACIÓN: Se utiliza para separar sistemas sólidos con fases de distinto peso mediante una corriente de agua que arrastra a la fase más liviana. Así se separan las arenas e impureza del oro en la extracción de este metal.

LIXIVIACIÓN: En algunos aspectos es similar a la levigación pero el líquido arrastra a uno de los sólidos por disolución. Se utiliza por ejemplo para separar el azúcar de la remolacha azucarera mediante una corriente de agua sobre las rodajas finas de la remolacha.

EXTRACCIÓN O DISOLUCIÓN: Se utiliza para separa dos sólidos de diferente solubilidad. Se agrega al sistema un líquido que tenga la propiedad de disolver a uno de los sólidos y no al otro. Luego se separa la solución del sólido insoluble y por último se evapora el solvente quedando el sólido soluble aparte. Este método suele recibir diferentes nombre según la forma de disolución. Por ejemplo: Infusión, cuando el solvente es agua caliente (como el mate o el té). Decocción, cuando el solvente es agua que hierve durante un rato (como en el matecocido o en el caldo de verduras). Maceración, cuando el solvente es alcohol (como en la elaboración de perfumes y licores).

SUBLIMACIÓN: Se utiliza para separar dos sólidos volátiles. Al calentar la mezcla, el sólido que volatilice a más baja temperatura, lo hará primero, luego sus vapores se enfrían y subliman.

FUSIÓN: Se utiliza para separar los componentes de una mezcla sólida cuando estos no se descomponen por el calor. Consiste en calentar el sistema hasta que estén todos los componentes fundidos y luego dejar en reposo para que se enfríe lentamente y los líquidos se concentren a diferentes alturas. Así se separa el sebo de la grasa vacuna para refinarla.

MÉTODOS DE FRACCIONAMIENTO DE SOLUCIONES

Estos Son métodos físicos, que por lo general se basan en algún cambio de estado o forma de distribución de alguno de los componentes de la solución. Por ejemplo:

DESTILACIÓN: Usado para fraccionar soluciones de dos líquidos o de un líquido que se quiere separar de sus sólidos disueltos. Consiste en someter al sistema a la acción del calor hasta que el componente de menor punto de ebullición comience a hervir; sus vapores son conducidos a un refrigerante que los vuelve a condensar. Los dispositivos utilizados para este proceso reciben el nombre de destiladores o alambiques. Por este proceso se obtiene el agua destilada y se concentra el alcohol para las bebidas alcohólicas.

DESTILACIÓN FRACCIONADA: Es un método basado en el mismo principio que el anterior pero es más efectivo cuando el sistema es una solución de varios líquidos de puntos de ebullición cercanos. Se calienta la solución en una torre de fraccionamiento que suele ser muy alta y cuenta a distintas alturas con platillos o sistemas de recolección de lluvias. Los vapores ascienden por la columna pero se van enfriando, se condensan y caen como lluvia que vuelve a calentarse, evaporarse y subir. Al cabo de un tiempo la columna entra en régimen, es decir que comienzan a concentrarse a distintas alturas los vapores de los componentes cuyo punto de ebullición es cercano a la temperatura de ese lugar y entonces son recogidos por los platillos o tubos de recolección que los sacan fuera de la columna. Por este proceso se destila el petróleo para separarlo en sus componentes comerciales más conocidos.

ÓSMOSIS: Método usado para separar soluciones de un sólido en un líquido por medio de una membrana semipermeable que permite que el líquido pase hacia el lado donde la concentración de soluto es mayor, provocando su disolución. De esta forma filtran la sangre nuestros riñones.

CRISTALIZACIÓN: Se usa para separar sólidos cristalizables de sus soluciones líquidas. Se concentra la solución por evaporación de un parte del solvente y luego se deja en reposo para que se formen los cristales que se separan. De esta forma se separa el azúcar de caña de sus jarabes iniciales.

CROMATOGRAFÍA: Se utiliza para separa los componente de una solución compleja, que no se pueden separar por otros métodos. Está basado en el fenómeno de capilaridad de los líquidos que trepan a distintas velocidades por los tubos capilares o poros de materiales absorbentes de modo que al cabo de un tiempo se han separados en franjas más o menos alejadas del punto de absorción. Se utiliza mucho en investigación científica sobre todo cuando la proporción de sustancias disueltas es muy baja, como en los análisis de orina que se realizan en los exámenes antidoping.

DIFUSIÓN: Usado para separar gases o líquidos. Basado en el mismo principio que la ósmosis. Una membrana semipermeable deja pasar las moléculas de un gas y retiene las del otro.

AUTOEVALUACIÓN: (En alguna parte del apunte encontrarás posibles respuestas)

Prueba si puedes responder las preguntas y resolver los problemas siguiendo el proceso que se plantea en este ejemplo:

Tomamos una muestra de agua turbia con arena de una playa de río. Si nombramos a sus componentes en forma genérica podemos decir que contiene agua, arena y arcilla dispersas y minerales disueltos:

1) ¿Qué clase de sistema es?.

2) ¿Cuántas fases tiene?.

3) ¿Cuál es el estado de agregación de esas fases?.

4) ¿Cuál es la fase dispersante?.

5) ¿Qué diferencia visible hay entre la arena y la arcilla?

6) ¿Cuántos componentes tiene el sistema?

7) ¿Por qué método podemos separar la arena?.

8) ¿Qué clase de sistema es la arena limpia?.

9) ¿Qué clase de sistema es el agua que nos queda?.

10) ¿Por qué método podemos separar la arcilla del agua?.

11) ¿Por qué método podemos secar la arcilla sólida que separamos del agua?.

12) ¿Qué clase de sistema es el agua clara que nos quedó?

13) ¿Cuántas fases tiene este sistema?

14) ¿Cuántos componentes?

15) ¿Por qué método podemos separar los minerales del agua?.

16) ¿Qué clase de sistema es el agua que nos queda?

INVESTIGACIÓN:
1) ¿Qué metales componen las siguientes aleaciones comerciales y para que se usa cada una?
    a) acero común.   b) acero inoxidable.   c) latón.    d) alpaca.   e) oro de joyería.
    f) duraluminio.    g) estaño para soldaduras.   h) constantán.    i) peltre.     j) plata de ley.
    k) cuproniquel.
2) ¿Cuáles son los principales componentes de la leche de vaca y qué sistema forma cada uno?
3) ¿Qué son las propiedades coligativas de una solución y cuáles son las principales?
4) ¿Qué significan las unidades nanómetro (nm) y micrómetro (µm)?