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Física y Química

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Física y Química Rafael Jiménez Prieto Pastora M.ª Torres Verdugo

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ESTRUCTURA DEL LIBRO LA UNIDAD PRESENTACIÓN Índice de la unidad Enumeración de los contenidos principales que se desarrollan en la unidad.

Texto introductorio y actividades de inicio Presenta los contenidos de la unidad a partir de un enfoque histórico o cotidiano, que sirve como punto de partida. A continuación se plantean preguntas para reflexionar sobre el texto o buscar información.

DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS

Los contenidos se desarrollan acompañados de imágenes y esquemas explicativos, con textos complementarios que amplían la información principal. En cada unidad se propone una actividad más amplia para trabajar algunos contenidos concretos utilizando la competencia digital.

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Observa y aprende Actividad resuelta que consta de tres partes: ❙ Enunciado. ❙ Desarrollo y solución. ❙ Conclusión.

Actividades Se incluyen actividades para trabajar directamente los contenidos de cada apartado.

Profundiza Sección que presenta un contenido tratado en la unidad con mayor nivel, con aplicación práctica en la actividad Paso a Paso y más actividades.

CIERRE

La ciencia más cerca Apartado en el que se explican hechos científicos de actualidad relacionados con el entorno cotidiano o con el medio físico.

De un vistazo repasamos la unidad Resumen de los principales conceptos tratados en la unidad y de sus aplicaciones.

Investiga Actividad experimental planteada a partir de una situación cotidiana para afianzar las fases del método científico.

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ESTRUCTURA DEL LIBRO Practica Dos páginas de actividades al final de la unidad clasificadas por contenidos y por niveles de dificultad. En algunas actividades se incluye un recuadro con el contenido teórico ya tratado en la unidad para facilitar su resolución.

LAS SECCIONES TRIMESTRALES Experiencias de laboratorio Trabajos experimentales para desarrollar las habilidades propias de la física y la química. Son un conjunto de experimentos sencillos orientados a fomentar el conocimiento y utilización de los materiales del laboratorio de física y química y la aplicación de los procedimientos característicos del método científico: observar, emitir hipótesis, medir, planificar y diseñar experimentos, predecir, establecer relaciones, obtener conclusiones, etcétera.

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Practica PISA Para trabajar la metodología de las pruebas PISA en competencia científica. ❙S e parte de una situación contextualizada mediante textos continuos, discontinuos o mixtos. ❙ Se proponen actividades con 6 niveles de dificultad y en 3 formatos: respuesta cerrada, respuesta abierta breve y respuesta abierta amplia.

Practica con TEXTOS Para practicar la prueba PISA en comprensión lectora. ❙S e muestran varios textos relacionados con los contenidos trabajados. ❙ Para cada texto se proponen actividades de comprensión lectora y de expresión oral y escrita. ❙ Se finaliza con actividades para interpretar y comparar textos de carácter científico.

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ESTRUCTURA DEL LIBRO Practica con TIC Para ejercitar la prueba PISA en Resolución de problemas. ❙S e parte de una situación contextualizada que hay que resolver. ❙ Se resumen los contenidos estudiados y relacionados con la situación. ❙ Se propone un esquema guiado para resolver la situación. ❙ Se comunica la resolución de la situación de forma oral y escrita.

Practica AULA COLABORATIVA Para realizar trabajos grupales en los que: ❙S e propone un trabajo para realizar en grupo de forma colaborativa. ❙ Se guía el proceso. ❙ Se presenta el trabajo físicamente o mediante una herramienta informática.

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ÍNDICE 1 La ciencia y su método. El trabajo científico

1. La importancia de la ciencia ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 10 2. El método científico ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 11 3. La información científica y sus fuentes .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 14 4. La experimentación en el laboratorio ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 16

2 Las magnitudes y su medida. El Sistema Internacional de Unidades

1. La medida y el trabajo científico ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 2. Magnitudes y unidades .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 3. El Sistema Internacional de Unidades ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 4. Instrumentos de medida .........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

28 29 30 35

3 La materia y sus propiedades. Estados de la materia

4 La constitución de la materia. Elementos y compuestos

1. ¿Qué es la materia? ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 2. Estados de la materia .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3. Los cambios de estado ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 4. ¿De qué está formada la materia? ...............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

1. Elementos y compuestos ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 2. La materia está formada por átomos .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3. Los elementos químicos: la tabla periódica ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 4. Los átomos se combinan ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

46 50 51 53

64 65 68 71

Anexo. Introducción a la nomenclatura y formulación de compuestos binarios 81 1. Las reglas de formulación y nomenclatura ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 82 2. Fórmulas y números de oxidación ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 83 3. Los compuestos binarios ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 84 EXPERIENCIAS DE LABORATORIO ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... PRACTICA PISA .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... PRACTICA CON TEXTOS ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. PRACTICA CON TIC ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ PRACTICA AULA COLABORATIVA ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

5 Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones

1. Procesos físicos ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 2. Sustancias puras y mezclas .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3. Disoluciones ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 4. Mezclas de especial interés .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 5. Separación de mezclas .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

6 Los cambios en la materia. Reacciones químicas

87 90 92 94 96

98 99 101 103 104

115

1. Procesos químicos ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 2. Las reacciones químicas ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3. Tipos de reacciones químicas ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 4. Velocidad de las reacciones químicas ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 5. Las reacciones químicas en nuestro entorno ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

116 117 121 122 123

7 Las fuerzas y sus efectos. Máquinas simples

133

8 Las fuerzas en la naturaleza (I). Gravitación

151

1. ¿Qué es una fuerza? .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 2. Tipos de fuerzas ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3. Medida de las fuerzas ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 4. Máquinas simples ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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1. Fuerzas gravitatorias ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 2. Gravitación y peso .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 3. La gravitación y el universo .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 4. El sistema solar .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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EXPERIENCIAS DE LABORATORIO ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... PRACTICA PISA .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... PRACTICA CON TEXTOS ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. PRACTICA CON TIC ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ PRACTICA AULA COLABORATIVA ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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9 Las fuerzas de la naturaleza (II). Electricidad y magnetismo

177

1. Fuerzas electrostáticas ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 178 2. Cargas eléctricas ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 179 3. Conductores y aislantes .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 181 4. La corriente eléctrica .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 182 5. Circuitos eléctricos .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 185 6. Fuerzas magnéticas. Electromagnetismo ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 186

10 El movimiento. Movimiento rectilíneo y uniforme

195

11 La energía. Centrales eléctricas

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12 El calor y la temperatura. Transferencias de calor

231

1. ¿Qué es el movimiento? .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 2. Magnitudes para describir el movimiento ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 3. Movimiento rectilíneo y uniforme ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 4. Movimientos no uniformes ...............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

1. ¿Qué es la energía? ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 2. La energía se transfiere y se transforma ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3. Obtención de energía: la central eléctrica ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 4. Fuentes de energía ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 5. El uso racional de la energía ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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214 217 219 221 223

1. El calor es una forma de energía .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 2. Calor y temperatura ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 3. Medida de la temperatura .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 4. Efectos del calor ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 5. Propagación del calor ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones

1 Procesos físicos 2 Sustancias puras y mezclas 3 Disoluciones 4 Mezclas de especial interés 5 Separación de mezclas

Ante la enorme diversidad de formas y propiedades de la materia surge la necesidad de realizar alguna clasificación. Lo más lógico es utilizar las propiedades más fácilmente perceptibles como criterio. Estas pueden ser el aspecto, la textura, la capacidad de conducir la electricidad, el estado de agregación, etc. De todas las posibles clasificaciones, una de las más interesantes es la que se basa en la composición. 1 ¿Cómo clasificamos la materia teniendo en cuenta el

estado de agregación? Recuerda cómo era esta clasificación realizando un esquema, que incluya algunos ejemplos.

Procesos físicos

RECUERDA ❙ La Física estudia los procesos físicos y las leyes que los rigen. ❙ La Química se ocupa de otro tipo de transformaciones de la materia: los cambios químicos.

Los sistemas materiales sufren transformaciones continuamente. Algunas alteran profundamente sus características, mientras que otras apenas cambian sus propiedades. Basándonos en el alcance de estas transformaciones, distinguimos los cambios o procesos físicos de los cambios o procesos químicos. Pero, ¿cuándo podemos considerar que tiene lugar un proceso físico? Un cambio o proceso físico es aquel que no altera la naturaleza del sistema material sobre el que actúa, es decir, la composición del sistema es la misma antes y después del proceso. Esto significa que el sistema mantiene sus características y su composición tras el cambio. Como ejemplo, considera lo que ocurre cuando se funde un cubito de hielo: la sustancia es la misma antes y después del cambio de estado –agua–, y lo único que ha cambiado ha sido su estado de agregación: la fusión es un proceso físico. Hay numerosos ejemplos de procesos físicos. Algunos de los más comunes son los siguientes: ❙❙El movimiento. Un sistema material puede cambiar de posición sin que eso afecte al resto de sus propiedades. Por tanto, se trata de un cambio físico. ❙❙Los cambios de estado. La composición del sistema material es la misma antes y después de cualquier cambio de estado, por lo que claramente son procesos físicos. ❙❙La deformación. Cuando un cuerpo se estira o deforma mantiene su composición y solo cambia su forma. Es otro sencillo ejemplo de cambio físico.

Cambios físicos. Tanto la deformación como el movimiento son procesos físicos. Ninguno de ellos altera la naturaleza del sistema material sobre el que actúa.

Continúa practicando estos conceptos con las actividades 22 a 25 de la página 112.

98 UNIDAD 5

2 Observa las siguientes ilustraciones e indica todos los cambios físicos que pienses que se dan en las situaciones representadas. Justifica por qué son procesos físicos: a) b)

Sustancias puras y mezclas Existen sistemas materiales formados por una única sustancia: por ejemplo, un puñado de sal. Pero la inmensa mayoría de los sistemas materiales que podemos encontrar a nuestro alrededor están formados por más de una sustancia. ¿Cómo puede saberse si un sistema material contiene una única sustancia o más de una? En ocasiones es fácil, porque vemos sus componentes a simple vista; otras veces hay que someter el sistema a diversos procesos físicos, como filtración, tamizado, calentamiento, etc., para poder obtener sus componentes por separado. Una sustancia pura es aquella que no está compuesta por otras sustancias. Si un sistema material está formado por varias sustancias diferentes, decimos que es una mezcla.

Máxima pureza En la práctica, tener una sustancia pura y aislada de otras es casi imposible. En el laboratorio de Química, los productos que se manejan son de alta pureza. Aun así, no se puede descartar que contengan pequeñísimas cantidades de otras sustancias, que, por lo tanto, reciben el nombre de impurezas o trazas.

Las sustancias puras son escasas en nuestro entorno; pero tienen mucho interés en el laboratorio y también en la industria. Las mezclas, por el contrario, son muy abundantes y variadas. Casi todos los sistemas materiales que observamos a nuestro alrededor son mezclas.

Sustancia pura. La sal es una sustancia pura. No está formada por otras sustancias, y no puede separarse en otros componentes mediante procesos físicos, como el tamizado, el calentamiento, etc.

Mezcla. El agua del grifo, al contrario de lo que pueda parecer, no es una sustancia pura. Es una mezcla de agua con algunas sales disueltas en pequeñas cantidades y algo de cloro para que sea potable. Si la hervimos, separamos el vapor de agua, que sí es una sustancia pura.

3 En nuestro entorno encontramos una gran variedad de sustancias puras y mezclas. Explica la diferencia entre una sustancia pura y una mezcla e indica algunos ejemplos. 4 Aunque no se aprecia a simple vista, el agua del mar es una mezcla formada por varios componentes. ¿Qué podríamos hacer para comprobar que efectivamente se trata de una mezcla y no de una sustancia pura? 5 Dados los siguientes sistemas materiales, justifica en cada caso si se trata de una sustancia pura o de una mezcla. Consulta algunas fuentes de información, como libros o Internet, si lo consideras necesario. a) El alambre galvanizado. b) Una salsa vinagreta. c) Un hilo conductor de cobre. d) El agua destilada. e) Una gominola.

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 99

1 Mezclas homogéneas y heterogéneas Como puedes imaginar, la cantidad y variedad de mezclas posibles es casi infinita. Para clasificarlas se utiliza un criterio que permite diferenciar dos tipos de mezclas. Una mezcla heterogénea es aquella cuyos componentes son distinguibles, mientras que una mezcla homogénea es aquella cuyos componentes no se pueden distinguir. Las mezclas heterogéneas se caracterizan porque no son uniformes. Esto quiere decir que puede variar la proporción de sus componentes según la porción que tomemos. No obstante, a veces los componentes se encuentran tan bien mezclados que resulta difícil distinguirlos, y hay que recurrir a medios como lupas o microscopios para poder apreciarlos.

Mezclas heterogéneas. Tanto el granito como la mayonesa son mezclas heterogéneas. Sin embargo, en una emulsión como la mayonesa no se ven los componentes de la mezcla a simple vista, pues se trata de pequeñísimas gotitas acuosas en un medio graso.

Por el contrario, en una mezcla homogénea es totalmente imposible distinguir los componentes, ni aun utilizando microscopio. Por tanto, la proporción en que se encuentran mezclados es siempre la misma, independientemente de la porción que tomemos. Debido a esta característica de las mezclas homogéneas, es fácil confundirlas con sustancias puras.

Mezclas homogéneas. El agua mineral y el oro para joyería son ejemplos de mezclas homogéneas. Los componentes de ambas mezclas son totalmente indistinguibles; ni siquiera son visibles al microscopio.

Continúa practicando estos conceptos con las actividades 26 a 28 de la página 112.

100 UNIDAD 5

6 Redacta un breve párrafo usando los siguientes términos: sustancia pura, mezcla, mezcla heterogénea, mezcla homogénea, componentes. 7 Clasifica las siguientes mezclas en heterogéneas y homogéneas, justificando el por qué en cada caso: a) Tinta de rotulador. b) Infusión de manzanilla. c) Rallado de tres quesos para pizza. d) Refresco de naranja. e) Detergente en polvo para lavadora.

Disoluciones Las mezclas homogéneas tienen un gran interés, pues son la base de muchos productos comerciales que utilizamos, además de estar muy presentes en los seres vivos. Reciben también el nombre de disoluciones, y su estudio es de gran importancia. Una disolución es cualquier mezcla homogénea. En ella distinguimos: ❙ El disolvente, que es el componente que se encuentra en mayor proporción. ❙ Los solutos, que son los componentes que están en menor proporción. En una disolución, tanto el disolvente como el soluto pueden ser sustancias en los tres estados de agregación. Sin embargo, el caso más frecuente es que el disolvente sea un líquido.

En el laboratorio El uso de disoluciones en el laboratorio es continuo. La mayoría de los procesos estudiados implican la preparación de alguna disolución. Para ello, el laboratorio cuenta con un dispositivo que proporciona agua destilada –agua sin impurezas–, necesaria para preparar casi todas las disoluciones que se manejan.

Concretamente, es muy habitual, especialmente en el caso de disoluciones relacionadas con el medio natural, que el disolvente sea el agua. Observa:

Agua del mar. Es uno de los ejemplos más importantes de disolución presente en el medio natural. En este caso, el disolvente es el agua, y hay bastantes solutos, de los cuales el que se encuentra en mayor cantidad es el cloruro de sodio o sal común.

Medicamentos inyectables. Son también ejemplos de disoluciones acuosas, esta vez de origen sintético. En estos fármacos, el disolvente es nuevamente el agua, y los solutos son diversos principios activos y excipientes, según la dolencia para la que están prescritos.

8 El aire que respiramos es una mezcla gaseosa compuesta por un 78 % de nitrógeno, un 21 % de oxígeno y pequeñas cantidades de dióxido de carbono, argón y vapor de agua, aunque puede contener también algunos contaminantes. a) ¿Es el aire una disolución? En caso afirmativo, señala por qué. b) ¿Cuál sería el disolvente en este caso? ¿Cuál o cuáles serían los solutos? Explica en qué criterio te basas. 9 Aunque en su mayor parte es agua, una bebida isotónica contiene azúcares, sales minerales y un colorante, entre otros posibles componentes. De acuerdo con esto: a) ¿Cuál sería el disolvente en este caso? Explica tu respuesta. b) ¿Podemos afirmar que en esta bebida isotónica hay más de un soluto? ¿Por qué?

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 101

1 Clasificación de las disoluciones Disolviendo gases Los solutos gaseosos no solo se disuelven en otros gases. También pueden disolverse en líquidos e incluso en sólidos. Por ejemplo, tanto el oxígeno como el dióxido de carbono se disuelven en el agua, haciendo posible con ello la vida acuática animal y vegetal. Otro ejemplo: las bebidas refrescantes también contienen dióxido de carbono disuelto en una cantidad importante.

Dada la gran cantidad de disoluciones de las que podemos disponer, es conveniente realizar alguna clasificación que facilite su estudio. Pueden utilizarse dos criterios: el estado de agregación del disolvente y de los solutos o la mayor o menor proporción de los solutos con respecto al disolvente. Según el estado de agregación, podemos tener distintas combinaciones. Algunas son: Disolvente y soluto gaseosos

Disolvente líquido y soluto sólido

Disolvente y soluto sólidos

Un ejemplo es el oxígeno de las botellas de submarinismo.

Hay muchos ejemplos. Uno puede ser el agua azucarada.

Reciben el nombre de aleaciones. Una de las más comunes es el acero.

Si utilizamos el criterio de la proporción de soluto, la clasificación es algo más simple: ❙❙Cuando la disolución contiene muy poca cantidad de soluto con respecto al disolvente, se dice que es diluida. ❙❙Si la cantidad de soluto es elevada, entonces la disolución es concentrada. ❙❙Cuando ya no se disuelve más soluto, la disolución es saturada.

Diluida. Se añade una cantidad muy pequeña de soluto.

Concentrada. Se añade una cantidad importante de soluto.

Saturada. Ya no es posible disolver más soluto.

Tipos de disoluciones según la proporción de soluto con respecto al disolvente.

En nuestra vida cotidiana manejamos con frecuencia estos términos. Por ejemplo, cuando usamos el término diluir, significa reducir la proporción de soluto con respecto a la de disolvente, añadiendo para ello más disolvente; por el contrario, si utilizamos el término concentrar, buscamos elevar la proporción de soluto, lo que puede lograrse añadiendo más soluto o eliminando disolvente.

Continúa practicando estos conceptos con las actividades 29 a 42 de las páginas 112 y 113.

102 UNIDAD 5

10 Un refresco de cola contiene un 15 % de azúcar, además de algunos aditivos en pequeña cantidad. Considerando que el azúcar es el soluto principal y el disolvente es agua, clasifica esta disolución de acuerdo con los dos criterios que conoces. 11 En la etiqueta de un limpiador para el hogar se lee lo siguiente: «Producto concentrado. Para la limpieza del suelo, diluir un tapón en 5 L de agua.» ¿Qué significa que el producto es concentrado? ¿Qué conseguimos al diluir el producto con agua?

Mezclas de especial interés Dentro de la gran variedad de mezclas existentes, tanto naturales como sintéticas, destacan algunas por su importancia o interés, debido a sus aplicaciones.

1 Coloides y geles Con anterioridad hemos clasificado las mezclas en homogéneas (o disoluciones) y heterogéneas, utilizando el criterio de si se distinguen o no sus componentes. A pesar de que este criterio es bastante sencillo, hay mezclas para las cuales es casi imposible diferenciar si pertenecen a un tipo u otro. Este es el caso de los coloides, un tipo de mezcla en la que el gran tamaño de las partículas del soluto le da propiedades especiales, intermedias entre las de las disoluciones y las mezclas heterogéneas. Su importancia radica en que muchas mezclas naturales y sintéticas son coloides, como, por ejemplo, la leche, las pinturas o la sangre.

Pintura plástica. Es en realidad un coloide. No es una disolución ni tampoco una mezcla heterogénea.

El componente mayoritario de un coloide se llama fase dispersante; los componentes en menor cantidad son la fase dispersa. Cuando un coloide se enfría o pierde parte de su fase dispersante, adquiere una textura peculiar entre sólida y líquida, y recibe el nombre de gel. Un gel típico es la gelatina.

Aleaciones 2 De gran importancia tecnológica, las aleaciones son disoluciones sólidas. La mayoría de las veces están formadas por metales, como el oro de joyería, que es una aleación de oro y plata, o el bronce, que es una aleación de cobre y estaño. Otra aleación de amplio uso es el acero, formado por hierro, carbono y otros metales distintos del hierro en menor cantidad. Actualmente la gama de aleaciones disponibles es muy extensa. Además de los aceros para múltiples usos, destacan las aleaciones del aluminio y el titanio por sus extraordinarias propiedades de ligereza y resistencia.

3 Suspensiones y emulsiones Las suspensiones son mezclas heterogéneas de sólidos en disolventes líquidos. El sólido no se disuelve, pero, si la mezcla se agita fuertemente, se disgrega en pequeñas partículas que quedan suspendidas en el líquido. Muchos jarabes son suspensiones, por lo que deben agitarse antes de ser ingeridos.

Jarabe. En muchos casos, los jarabes son suspensiones que deben agitarse antes de ser ingeridos.

Las emulsiones son bastante conocidas en la cocina. Son mezclas heterogéneas de dos líquidos inmiscibles, es decir, que no se disuelven uno en el otro. Al realizar la mezcla, quedan pequeñas gotitas de uno de los líquidos dispersas en el otro, dando la impresión de ser una mezcla homogénea. La mayoría de las salsas son emulsiones: la mayonesa, la salsa de tomate, las vinagretas, etc.

Aleaciones ultraligeras Dentro de las aleaciones de última generación, se han desarrollado recientemente algunas cuya densidad es inferior a 2 g/cm3. Debido a esta baja densidad, se las conoce con el nombre general de aleaciones ultraligeras. 12 Entre las muchas aleaciones ultraligeras desarrolladas, que suelen ser productos comerciales patentados, destaca el aluminuro de titanio. Investiga en revistas o en Internet y toma algunos datos sobre su composición, propiedades y aplicaciones tecnológicas..

Llanta de aleación ultraligera.

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 103

Separación de mezclas En numerosas ocasiones necesitamos obtener alguno o todos los componentes de una mezcla por separado. Esto se puede conseguir aplicando diversos procesos físicos, según las características de la mezcla que queremos separar. Los componentes de una mezcla se pueden separar mediante procesos físicos, es decir, procesos que no alteran la naturaleza de las sustancias que forman la mezcla. Azufre

Existen varias técnicas de separación de mezclas, y la aplicación de una u otra depende de las propiedades de sus componentes. No es lo mismo separar los componentes de una mezcla homogénea de líquidos, que de una mezcla heterogénea de sólidos, por ejemplo. Limaduras de hierro

Separación magnética. Esta técnica es especialmente útil para separar partículas u objetos de hierro.

1 Separación de mezclas heterogéneas En el caso de las mezclas heterogéneas, los procesos de separación suelen ser bastante sencillos. Veamos algunos casos particulares. ❙❙Mezclas heterogéneas de sólidos. Uno de los procedimientos indicados para este tipo de mezclas es el tamizado. Se realiza utilizando tamices de distinto tamaño, donde quedan retenidos los componentes que nos interesan. Otro procedimiento es la separación por densidad. Consiste en agitar la mezcla con agua e ir arrastrando las partículas que quedan en la parte superior, dejando en el fondo las más densas. Por último, cabe destacar la separación magnética, que tiene utilidad cuando queremos separar componentes fabricados en todo o en parte con hierro. Se lleva a cabo mediante imanes, que se introducen o acercan a la mezcla.

Arena y agua

❙❙Mezclas heterogéneas de líquidos. El proceso en este caso es la decantación, que consiste en dejar la mezcla en reposo para que se produzca espontáneamente la separación entre las fases líquidas inmiscibles. En el laboratorio se utiliza un dispositivo diseñado específicamente, llamado embudo de decantación. Embudo de decantación

Arena

Aceite

Agua Agua

Filtración. Es una técnica apropiada para separar un sólido de una mezcla heterogénea de sólido y líquido.

Decantación. Una mezcla de dos líquidos inmiscibles, como el agua y el aceite, se separa espontáneamente con ayuda de un embudo de decantación. El agua, más densa, se queda en el fondo, y puede recuperarse primero abriendo la llave. Una vez extraída el agua, se recoge el aceite.

❙❙Mezclas heterogéneas de un sólido y un líquido. La técnica más sencilla es la filtración. Consiste en pasar la mezcla por un filtro adecuado –puede ser un simple papel de filtro–, de modo que quede retenido en él el componente sólido. Otra técnica apropiada para este tipo de mezclas es la centrifugación, durante la cual la mezcla se somete a una alta velocidad de giro. Con esto se consigue que el sólido se deposite en el fondo.

104 UNIDAD 5

2 Separación de mezclas homogéneas Cuando la mezcla es homogénea –una disolución–, la separación de los componentes no es tan inmediata. Vamos a estudiar dos técnicas de separación diferentes. ❙❙Mezclas homogéneas de un sólido y un líquido. El proceso utilizado en este caso es la cristalización, así denominada porque se separa el sólido en forma de cristales. La cristalización consiste en dejar la disolución en reposo en un recipiente abierto de gran superficie. En estas condiciones, se evapora lentamente el disolvente líquido, que se pierde, quedando finalmente el soluto sólido. El agua se evapora

Agua salada

La sal forma cristales

Sal Agua Cristalizador

Cristalización. Mediante esta técnica recuperamos el soluto sólido de una disolución en forma de cristales.

❙❙Mezclas homogéneas de dos líquidos. Estas disoluciones requieren una técnica más sofisticada: la destilación. El aparato en el que se lleva a cabo se denomina destilador; está formado por un recipiente donde se deposita la mezcla y un tubo refrigerante. El recipiente se calienta y, al tener distintos puntos de ebullición los dos líquidos, se vaporiza primero uno de ellos. El vapor pasa por el tubo refrigerante, donde condensa y es recogido al final, separado del otro componente. Alcohol etílico o etanol

Soporte

Termómetro Soporte

Tubo refrigerante

Matraz de destilación Agua

Agua fría

Mechero Bunsen

Etanol

Destilación. Es la técnica adecuada para separar una disolución de dos líquidos. Se basa en que ambos tienen distintos puntos de ebullición.

13 A partir de la información dada, indica de qué tipo son las siguientes mezclas y justifica qué técnica de separación utilizarías en cada caso: a) Agua y cloruro de litio. El cloruro de litio es muy soluble en agua. b) Agua y gasolina. Son dos líquidos inmiscibles. c) Agua y arena. d) Arena, grava y limaduras de hierro. 14 Contesta brevemente las siguientes cuestiones: a) ¿Por qué se forman cristales durante la separación por cristalización? b) ¿Qué función tiene el tubo refrigerante en la destilación? c) ¿Por qué no se vaporizan los dos líquidos a la vez durante la destilación? Recuerda lo que ocurría con la temperatura durante un cambio de estado.

Continúa practicando estos conceptos con las actividades 43 a 47 de la página 113.

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 105

3 Aplicaciones de los métodos de separación Si queremos obtener una sustancia separándola de otras con las que se encuentra formando una mezcla, tendremos que utilizar alguno de los métodos de separación de mezclas que conocemos. La selección de dicho método dependerá del tipo de mezcla o de los componentes que la forman. La separación de mezclas es más habitual de lo que pensamos. Ya sea en el ámbito cotidiano o en la industria, se utiliza continuamente, lo que nos da una idea de la relevancia de estos procesos físicos.

Los métodos de separación en el hogar En nuestro día a día llevamos a cabo multitud de operaciones domésticas que conllevan la aplicación directa de alguno de los métodos de separación estudiados. En algunos casos utilizamos electrodomésticos relacionados de un modo u otro con las técnicas de separación. Algunas de ellas las podemos encontrar en la cocina. Por ejemplo, una de las operaciones más habituales es la filtración: filtramos cuando utilizamos un colador para separar la pulpa del zumo de una naranja que acabamos de exprimir, o para eliminar las partículas del aceite con el que acabamos de freír unos rebozados, que son situaciones bastante comunes.

Los filtros del coche Para su buen funcionamiento, el motor de un coche requiere de diversos fluidos, además del combustible y el aire, como son el líquido de frenos, el aceite del motor o el líquido del radiador. En estos casos, cualquier partícula sólida en el fluido puede provocar el deterioro de los componentes del motor, por lo cual se incorporan diversos filtros, cuya función es retener las posibles partículas. De este modo, en nuestros coches encontramos el filtro de combustible, el de aceite o el filtro de aire, entre otros.

Infusor de té y colador. La filtración es una técnica muy utilizada en nuestro ámbito doméstico.

Respecto a los electrodomésticos, de nuevo la filtración es la técnica más ampliamente presente. De este modo, debemos mantener en buen estado los filtros del aparato de aire acondicionado, ya que son necesarios para evitar la entrada de partículas y polvo en su interior, así como los filtros del lavavajillas o de la lavadora, fundamentales para evitar que las partículas sólidas puedan llegar a la bomba del aparato e inutilizarla.

La planta depuradora de aguas Los métodos de separación también están muy presentes en nuestro entorno inmediato. Entre los ejemplos que se podrían citar destaca por su relevancia el uso de técnicas de separación en las plantas potabilizadoras de agua y en las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Filtros de aceite de motor.

Tanto en uno como en otro caso, el proceso de separación de componentes no deseados en el agua es complejo, e implica la aplicación de un modo secuencial de diversos procesos, que son tanto físicos como químicos. ❙❙En el caso de una planta potabilizadora, el proceso incluye varias etapas de filtración, cuya finalidad es eliminar cualquier partícula sólida que pueda haber en suspensión, por pequeña que sea. Para ello se añaden previamente unas sustancias floculantes, que se unen a las partículas en suspensión, tras lo cual se hace pasar el agua por una serie de filtros de grava y arena que las retienen y separan definitivamente, clarificando el agua.

106 UNIDAD 5

❙❙En el caso de las plantas de tratamiento de aguas residuales, el proceso también incluye varias etapas de filtración de residuos sólidos y tamizado de los lodos. Otros procesos no menos importantes incluyen la separación mediante decantación de los aceites y líquidos grasos, además de los correspondientes tratamientos físico-químicos de eliminación de sustancias muy contaminantes y gérmenes patógenos.

Tratamiento de aguas residuales. Durante el proceso de depuración, las aguas residuales son sometidas a diversos tratamientos de cribado y filtración (A), decantación (B), tratamiento biológico (C) o digestión y desecación de lodos (D).

Los métodos de separación y la industria Además de en nuestro entorno inmediato, la separación de mezclas es igualmente importante a nivel industrial. Las técnicas de separación están presentes en diversas industrias de base y transformadoras, llegando incluso, en algunos casos, a constituir la base del funcionamiento de la planta de producción. Un ejemplo es la refinería de petróleo: partiendo del petróleo como materia prima se obtienen numerosos productos derivados, como combustibles (gas butano, gasolina, gasóleo, queroseno), disolventes (éter de petróleo, ligroína), parafinas o asfalto. Para obtener todos estos componentes, el petróleo se somete a un proceso de destilación fraccionada, en la cual los componentes se calientan hasta que pasan al estado gaseoso (se vaporizan), y posteriormente se enfrían y condensan en fracciones separadas según sus puntos de ebullición. Gases (C1 a C4) 20° C

Éter de petróleo (C5 a C6)

50° C

Ligroína (C7 a C8) 100° C

Gasolina natural (C6 a C12) 200° C

Queroseno (C12 a C15) 300° C 400° C + de 500° C

Destilación fraccionada del petróleo. Esta compleja técnica de separación nos permite obtener diversos derivados, desde los combustibles hasta el asfalto, de alto valor comercial.

Gasóleo (C15 a C18) Aceites lubricantes, ceras, parafinas, asfalto (C20 a C34)

15 Seguro que has visto funcionar un aspirador. ¿Cómo se consigue separar las partículas del aire aspirado en este electrodoméstico? Realiza un diagrama de funcionamiento del aparato y descríbelo, relacionándolo con las técnicas de separación de mezclas que conoces.

Continúa practicando estos conceptos con las actividades 48 a 51 de la página 113.

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 107

PROFUNDIZA Concentración de una disolución Una de las características de las disoluciones es que su composición puede ser variable. Esto quiere decir que un mismo soluto puede mezclarse en distintas proporciones con un mismo disolvente, dando lugar, por tanto, a disoluciones diferentes. Como ejemplo, considera que mezclamos sal y agua para obtener varias disoluciones. Si en una de ellas hemos disuelto 5 g de sal por cada litro de disolución y en otra 40 g de sal por litro de disolución, aunque se trate de agua salada, son dos disoluciones diferentes. Por tanto, si queremos indicar la cantidad de un soluto que hay en una determinada disolución, debemos utilizar una magnitud definida expresamente para ello: esta magnitud es la concentración. La concentración en masa por unidad de volumen indica mediante un número la cantidad de un soluto, expresada en unidades de masa, que hay disuelto en un cierto volumen de disolución. Normalmente, se suele expresar en gramos de soluto por litro de disolución: Masa de soluto Concentración = Volumen de disolución

Disoluciones. En el laboratorio es habitual trabajar con disoluciones de diversas sustancias.

Veamos un ejemplo de cálculo de la concentración.

PASO A PASO Unos alumnos han preparado en el laboratorio escolar una disolución de agua salada. Para ello pesaron 11,25 g de sal y los disolvieron en agua. Después añadieron agua hasta que el volumen final de la disolución fue de 1,5 litros. ¿Cuál es la concentración en masa por unidad de volumen de esta disolución?

1 Antes de realizar el cálculo, vamos a representar

Masa de soluto = 11,25 g

sobre un dibujo los datos de que disponemos, comprobando que están expresados en las unidades adecuadas:

Volumen de disolución = 1,5 l

2 A continuación, escribimos la fórmula que vamos a utilizar y procedemos a realizar el cálculo de la concentración. Finalmente interpretamos el resultado obtenido: Concentración =

Masa de soluto Volumen de disolución

11,25 g de sal 1,5 l

= 7,5 g/l

La concentración es de 7,5 g/l, por tanto hay disueltos 7,5 g de sal (soluto) por cada litro de esta disolución de agua salada.

16 Para preparar una disolución se han pesado 8,75 g de soluto y se han disuelto en agua hasta un volumen final de 3,5 L. ¿Cuál es la concentración de esta disolución en g/l? 17 Al disolver 1,5 g de soluto en una cierta cantidad de agua se ha preparado una disolución cuyo volumen final fue de 200 mL. Calcula su concentración expresada en g/l. 18 En una fábrica de refrescos están preparando una disolución de agua azucarada, disolviendo 1 440 kg de azúcar en agua, obteniendo finalmente 18 000 litros de agua azucarada. Calcula la concentración de esta disolución en g/l. 19 Según aparece en el envase, cierto jarabe contiene 1,6 mg/mL de principio activo. ¿Cómo debemos interpretar esta información?

108 UNIDAD 5

La ciencia... más cerca El agua destilada Cuando bebemos agua de una botella que acabamos de comprar en el supermercado o en una cafetería, estamos consumiendo agua mineral. Esta denominación, que también puede aplicarse al agua del grifo, hace referencia a las sales minerales que contiene disueltas el agua, cuya concentración puede variar según la zona geográfica en la que se encuentre el manantial de procedencia. Si es agua embotellada, podremos, además, conocer su composición en sales minerales sin más que mirar la etiqueta. Si el agua mineral se somete a un proceso de destilación para separar las sales minerales que contiene, pasa a convertirse en agua pura, pues la proporción de minerales en el agua –al ser sólidos no se vaporizan– se vuelve prácticamente insignificante. En estas condiciones, el agua pura obtenida sin otros componentes mezclados recibe el nombre de agua destilada.

EL PROBLEMA DE LAS SALES MINERALES Por su contenido en sales minerales, el agua potable que consumimos en nuestros hogares lleva ciertas cantidades de calcio disueltas. Según la cantidad de calcio, distinguimos entre agua blanda y agua dura, entendiendo por esta última aquella que supera un valor orientativo de calcio de 150 mg de carbonato de calcio (CaCO3) por litro. Una excesiva concentración de calcio en el agua puede suponer un problema para algunos electrodomésticos, como la lavadora, el lavavajillas, el centro de planchado o la caldera de agua sanitaria, ya que puede originar la formación de depósitos de carbonato de calcio en las resistencias y conductos de estos aparatos, lo que afecta, a largo plazo, a su funcionamiento.

El agua destilada tiene múltiples usos, a nivel doméstico, en el laboratorio y en la industria. Así, por ejemplo, se recomienda usarla en aparatos electrodomésticos destinados a producir vapor, como planchas, vaporetas o humidificadores, y se utiliza para reponer los niveles de líquido en las baterías de plomo de los coches. Sirve también para preparar reveladores fotográficos, como base para fármacos inyectables y como disolvente en general. Depósitos de cal. La acumulación de carbonato de calcio en las resistencias de los electrodomésticos puede provocar su deterioro y mal funcionamiento.

EN EL LABORATORIO

Humidificador. En estos aparatos se recomienda utilizar agua destilada, libre de sales minerales y otras impurezas.

El agua destilada se usa habitualmente en el laboratorio para preparar disoluciones, que luego se utilizarán en diversos procesos químicos. De este modo se evita la presencia de componentes ajenos a las sustancias que queremos hacer reaccionar. Si en lugar de agua destilada empleamos agua mineral, algún reactivo podría interaccionar con las sales minerales disueltas, o bien podría generarse algún tipo de interferencia en el resultado final de la experiencia.

20 ¿En qué se diferencia el agua destilada del agua potable que consumimos a diario? ¿Qué usos tiene? 21 ¿Qué es el agua dura? Explícalo, e indica las consecuencias que puede tener para los habitantes de una población que el agua de la que se abastecen sea de este tipo.

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 109

De un vistazo repasamos la unidad Para comenzar, analizamos qué se entiende por proceso físico. Un cambio o proceso físico es aquel que no altera la naturaleza del sistema material sobre el que actúa, manteniéndose invariable su composición.

Aprendimos a diferenciar una sustancia pura de una mezcla. Una sustancia pura es aquella que no está compuesta por otras diferentes. Una mezcla es un sistema material que está formado por varias sustancias diferentes. Y los tipos de mezclas que hay: ❙❙Las mezclas homogéneas son aquellas cuyos componentes no se pueden distinguir. ❙❙En las mezclas heterogéneas es posible distinguir los componentes que las forman.

Vimos que las disoluciones son mezclas homogéneas: ❙❙Sus componentes reciben los nombres de disolvente y solutos. ❙❙Se pueden clasificar según el estado de agregación de sus componentes o según la proporción de soluto.

Estudiamos algunas mezclas de especial interés: ❙❙Coloides y geles, con propiedades intermedias entre una mezcla heterogénea y una disolución. Arena y agua

❙❙Aleaciones, que son mezclas homogéneas de sustancias sólidas, normalmente metales. ❙❙Suspensiones y emulsiones, que, en ambos casos, son mezclas heterogéneas.

prendimos cómo separar los componentes A de una mezcla: ❙❙En el caso de mezclas heterogéneas, mediante tamizado, separación por densidad, separación magnética, decantación, filtración o centrifugación. ❙❙Para mezclas homogéneas, mediante cristalización o destilación.

Azufre

Limaduras de hierro

Arena

Agua

Finalizamos analizando la importancia de los métodos de separación: ❙❙En el hogar. ❙❙En nuestro entorno y en la industria.

Profundizamos algo más estudiando la concentración de una disolución expresada como masa por unidad de volumen. Concentración =

110 UNIDAD 5

Masa de soluto Volumen de disolución

Y vimos los usos y aplicaciones del agua destilada. El agua destilada, que es agua pura que no contiene sales minerales en disolución, se utiliza mucho en el laboratorio de Química.

Investiga Solubilidad de una sustancia El que una sustancia se pueda disolver o no en un determinado disolvente y la cantidad en que pueda hacerlo depende, entre otros factores, de la naturaleza de ambos. Para realizar este estudio de solubilidad necesitarás una balanza de cocina y sal común. Coloca un vaso transparente, para que puedas ver su contenido, en la balanza, y vierte en él 150 g de agua. Añade al agua 50 g de sal y agita el contenido con una cucharilla durante unos minutos para tratar de disolver la sal. ¿Qué ocurre? ¿Se ha disuelto por completo? ¿Lo ha hecho con facilidad? Una vez di-

suelta la sal, añade otros 10 g más de sal a los anteriores y agita de nuevo durante unos minutos. ¿Qué ocurre ahora? Finalmente, deja reposar el contenido y trasvasa con cuidado parte de la disolución de agua salada preparada a otro vaso (también transparente), procurando no trasvasar la sal que no se ha disuelto. Haz una marca con un rotulador en el vaso, para indicar el nivel alcanzado por el líquido, y déjalo reservado durante unos días, en un lugar ventilado. Observa cada día la variación en el nivel del líquido y el contenido del vaso.

Sal

Elabora un informe científico A partir de la información obtenida en esta experiencia vas a elaborar un informe científico. Utiliza como guía estos apartados:

Recopila información Esta experiencia se desarrolla en varios pasos. Es muy importante que anotes todas las operaciones realizadas, dejando constancia del orden en el que se han realizado y, especialmente, de tus observaciones. ❙❙¿Se disolvieron completamente los primeros 50 g de sal añadidos al agua? ❙❙¿Qué observaste, transcurridos unos días, en el vaso que dejaste reservado con la disolución de agua salada?

Explica lo ocurrido En la primera etapa, aunque con dificultad, se consigue disolver los 50 g de sal, mientras que al añadir 10 g más ya no es posible conseguir la disolución de la totalidad de sal añadida. ¿Qué explicación puedes dar a este hecho? Con respecto al último paso de la experiencia, ¿cómo puedes explicar lo que observas cuando transcurre el tiempo?

Comprueba tu hipótesis Cualquier hipótesis, de acuerdo con el método científico, debe ser validada. ¿Cómo podrías comprobar, mediante una experiencia adicional, la validez de tu hipótesis? Puedes utilizar la bibliografía para orientarte.

Resume tus conclusiones Finaliza elaborando un informe detallado con toda la información relativa a la experiencia llevada a cabo, los pasos que has seguido, la hipótesis propuesta, su validación y tus conclusiones finales.

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 111

PRACTICA Procesos físicos

22 Copia y completa este texto en tu cuaderno, sustituyendo los símbolos  por los términos que correspondan en cada caso: Un proceso de tipo  es aquel en el cual no se altera la  del sistema  sobre el que actúa, es decir, el sistema mantiene la misma  antes y después del . 23 Fíjate en cada una de las siguientes acciones. ¿Cuáles de ellas pueden considerarse ejemplos de cambios físicos? Justifica el porqué de tu respuesta. a) Un niño modela una figura de plastilina. b) El agua forma cubitos de hielo al congelarse. c) Un tenista golpea la pelota con su raqueta. d) Se quema gas natural en una caldera. e) Se ha oxidado una puerta de hierro. f) Se rompe un vaso de cristal al caer al suelo. 24 Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y por qué: a) El movimiento es un cambio físico, ya que el objeto cambia de lugar, pero mantiene sus características. b) Cuando calentamos agua hasta que hierve se produce un cambio químico, pues se observa como se desprende una nueva sustancia gaseosa. c) Cuando se rompe un vaso de cristal tiene lugar un cambio químico, ya que se modifica la forma y, por tanto, las propiedades del vaso. d) Al calentarse la barandilla metálica de la ventana ha tenido lugar un cambio químico, pues su temperatura ha subido bastante. 25 Si en un recipiente que contiene agua añadimos un poco de sal y agitamos hasta que se disuelva completamente, ¿podemos decir que hemos llevado a cabo un proceso físico? Explica tu respuesta.

ustancias puras y mezclas. Disoluciones. S Mezclas de especial interés 26 Copia y completa este texto en tu cuaderno, sustituyendo los símbolos  por los términos que correspondan en cada caso: Las sustancias  son escasas en nuestro entorno, mientras que las  son muy abundantes y variadas. A veces es fácil diferenciarlas, pues vemos sus  a simple vista, aunque en la mayoría de las ocasiones debemos recurrir a procesos , para obtener los componentes por . 27 Indica, en cada uno de los siguientes casos, si se trata de una sustancia pura o de una mezcla. ¿En qué te basas para diferenciar ambos tipos de sistemas materiales? a) Un zumo de naranja. b) Un aro de plata. c) Un batido de vainilla. d) Una cucharada de azúcar. e) Una pieza de acero.

112 UNIDAD 5

28 Contesta estas cuestiones: a) ¿A qué nos referimos cuando decimos que una mezcla heterogénea no es uniforme? b) ¿Cómo clasificarías un puré de patata, como una mezcla homogénea o heterogénea? ¿Por qué? c) Si tomamos varias porciones diferentes de una misma mezcla homogénea, ¿qué tienen en común? 29 Cuando empleamos el término disolución, ¿a qué nos referimos exactamente? Explícalo y di cómo se denominan sus componentes. No olvides incluir algún ejemplo. 30 Elabora un esquema en el que aparezcan los siguientes conceptos: sustancia pura, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea y disolución. Debes incluir el significado de cada concepto y algún ejemplo para ilustrarlo. 31 Al echar un vistazo en la cocina hemos encontrado todos estos sistemas materiales: ❙ Vino blanco. ❙ Aliño para ensalada. ❙ Vinagre. ❙ Acero.

❙ Agua mineral. ❙ Almíbar.

a) Hay uno que no es una disolución. Identifícalo, explicando por qué no es este tipo de mezcla. b) Para el resto de disoluciones, indica cuál es el disolvente y cuál el soluto o solutos, si son varios. 32 ¿Qué criterios utilizamos para clasificar las disoluciones? Elabora un esquema sencillo en el que aparezcan las dos clasificaciones que conoces, ilustradas con ejemplos. 33 Contesta, de forma razonada, las cuestiones siguientes: a) ¿Qué es una disolución diluida? b) ¿Cuándo se considera que una disolución es saturada? c) ¿Cómo sería una disolución de agua salada que contiene 360 gramos de sal por cada litro, si sabemos que no es posible disolver más cantidad de sal? 34 De acuerdo con el estado de agregación de sus componentes, existen distintos tipos de disoluciones. Indica dos ejemplos de disoluciones de cada uno de estos tipos, señalando cuál es el soluto y cuál el disolvente. a) Disolución de un sólido en un líquido. b) Disolución de un líquido en un líquido. c) Disolución de un gas en un líquido. 35 No es lo mismo disolver que diluir, aunque a veces tendemos a confundir ambos términos. Explica la diferencia entre disolución y dilución, aportando algún ejemplo que sirva para ilustrarla. 36 Un estudiante de cocina está realizando un examen final, con la preparación de un menú completo. El entrante es un caldo de pescado. Al probarlo su profesor, le indica que está muy diluido y tiene poco sabor, por lo que debe concentrarlo más. ¿Qué debe hacer el estudiante?

37 Alejandra debe preparar tres disoluciones de un colorante rojo en agua. El volumen final tiene que ser de 250 mL y se sabe que pueden disolverse un máximo de 20 g de colorante por cada 100 mL de disolución. a) La primera disolución debe ser diluida. ¿Qué cantidad de colorante podría disolver? ¿Qué aspecto tendrá la disolución? b) La segunda disolución debe ser concentrada. ¿Cuánto pesará Alejandra de colorante para prepararla? ¿Cómo será la disolución obtenida ahora? c) ¿Cuánto tendrá que pesar exactamente para preparar la tercera disolución, que debe ser saturada? 38 Contesta las siguientes cuestiones sobre los coloides y geles: a) ¿Qué tipo de mezcla es un coloide? b) ¿Qué nombre recibe el componente mayoritario en este tipo de mezclas? c) ¿Podemos decir que un coloide y un gel son lo mismo? Explícalo. 39 ¿Qué es una aleación? ¿Podemos decir que en el caso de una aleación sus componentes deben ser obligatoriamente dos metales? Toma como ejemplo el acero, para justificar tu respuesta. 40 Copia estos enunciados en tu cuaderno, indicando si son verdaderos o falsos. Corrige aquellos que contengan errores: a) Una aleación no es una disolución, porque no se pueden disolver sólidos. b) Una suspensión siempre es una mezcla heterogénea, aunque agitemos muy bien. c) Dos líquidos inmiscibles pueden formar una emulsión. d) Un coloide no es una mezcla homogénea ni tampoco se puede clasificar como heterogénea. e) Un gel es una disolución que se ha secado. 41 Indica en qué se parecen y en qué se diferencian los siguientes tipos de mezclas: a) Aleación y disolución. b) Suspensión y emulsión. c) Coloide y disolución. 42 Indica, para cada mezcla, si se trata de un coloide, un gel, una aleación, una suspensión o una emulsión. a) Jabón de manos. d) Tinta china. b) Latón. e) Agua sucia o barro. c) Crema facial. f) Salsa rosa. Ten en cuenta que para poder clasificar estas mezclas, debes tener muy claro en qué consiste cada tipo de mezcla citada en el enunciado. Básate en las características de cada una de ellas y, si tienes dudas, busca información adicional en libros o en Internet.

Separación de mezclas. Aplicaciones 43 La filtración y el tamizado son dos técnicas de separación diferentes. ¿En qué se diferencian estos métodos de separación? ¿Hay algo que tengan en común? Explícalo. 44 Para reciclar correctamente, las latas de refresco o de conserva deben depositarse en el contenedor amarillo. Teniendo en cuenta que en muchos casos estas latas son de aluminio, ¿podrá utilizarse la separación magnética para separarlas del resto de la basura? ¿Por qué? 45 El aparato que aparece en esta ilustración se utiliza en el laboratorio de química para llevar a cabo procesos de separación de mezclas.

¿Cómo se llama? ¿En qué técnica de separación se emplea? ¿Cómo se utiliza? Redacta tus respuestas a estas cuestiones en un párrafo.

46 ¿Qué método físico utilizarías para separar los componentes de las siguientes mezclas? Justifica tu elección en cada caso: a) Una muestra de agua tomada de una charca está sucia, ya que tiene partículas sólidas en suspensión. b) Al cortar unos tubos de hierro con una segueta, se han mezclado algunas limaduras de hierro con arena del suelo. c) Ha entrado agua en un depósito de combustible, y se ha mezclado con la gasolina que contiene. 47 Considera una mezcla de dos combustibles para motor, la gasolina y el gasóleo. Se trata de dos líquidos completamente miscibles. ¿Cómo podríamos separarlos en el laboratorio? Indica la técnica que debería utilizarse, qué montaje habría que realizar para ello y cómo se llevaría a cabo la separación. 48 Luis está preparando un zumo de naranja, y como no le gusta la pulpa, ha decidido pasarlo por un colador. ¿Podemos considerar esto como un ejemplo de aplicación de alguna de las técnicas de separación estudiadas? Explica tu respuesta. 49 Otra sencilla técnica de separación utilizada en el hogar es el tamizado. ¿En qué consiste? ¿Para qué se usa en la cocina? Puedes investigarlo en algún libro de recetas. 50 La sal de cocina que utilizamos se obtiene a partir del agua del mar, en las salinas que se encuentran en muchas zonas de la costa. ¿Qué método de separación se emplea para ello? Explícalo. 51 En una planta depuradora de aguas residuales el objetivo es eliminar todas las sustancias no deseadas que se encuentran en el agua antes de verterla al medio natural. Para ello, se emplean diversas técnicas de separación. Elabora un esquema en el que representes las técnicas usadas y la secuencia de operación

Clasificación de la materia. Mezclas y disoluciones 113

Retos de la ciencia Conseguir la mezcla perfecta Muchos productos que encontramos en el mercado se han elaborado simplemente mezclando los ingredientes que los componen. La adecuada selección de estos componentes, las proporciones en que se mezclan y la forma de procesarlos confieren al producto las propiedades que le permitirán desarrollar la función para la que ha sido fabricado. Detergentes, perfumes o preparados farmacéuticos son solo algunos de los muchos ejemplos que podrían citarse. Entre todos ellos, solo aquellos que cumplan satisfactoriamente con las expectativas de los consumidores serán los que acaben siendo aceptados, lo cual supone un verdadero reto para los fabricantes.

Productos cosméticos y de cuidado personal.

Se investiga... Para conseguir mejorar sus productos y mantener sus cuotas de mercado, las grandes empresas disponen de departamentos de investigación, desarrollo e innovación (I+D+i). Están integrados por científicos y técnicos especializados en la investigación y la innovación, que dedican sus esfuerzos a adaptar los productos a las demandas comerciales o a desarrollar otros nuevos, con la finalidad de dar una respuesta eficaz a las necesidades de los consumidores en un mercado altamente competitivo.

Combustibles de última generación

Cuidado personal

El combustible que utilizamos en nuestros vehículos, ya sean de gasolina o diésel, se compone de una mezcla de hidrocarburos. Estos combustibles están en continua evolución, gracias al trabajo de investigación de las compañías petroleras.

El sector de la cosmética se encuentra también abocado a la continua innovación. Debido a las tendencias actuales, con una población cada vez más preocupada por su salud y su aspecto físico, las empresas del sector se ven obligadas a actualizar continuamente sus propuestas para satisfacer estas demandas.

Esto ha permitido el desarrollo de combustibles mejorados; la finalidad es, por un lado, optimizar el funcionamiento del motor, proporcionando la máxima potencia al tiempo que reducen el desgaste y deterioro a largo plazo. Por otro, cobra cada vez más importancia el respeto hacia el medio ambiente, que se consigue eliminando de la mezcla combustible ciertos componentes que se han demostrado muy contaminantes, sustituyéndolos por otros que ofrezcan la misma o incluso mayor eficacia.

La innovación aquí se desarrolla en múltiples frentes. Desde la obtención de productos mejorados con texturas y fragancias más agradables, hasta la fabricación de productos específicos que incorporan en su formulación componentes para preservar nuestra salud, como los productos para el cabello con protección solar, o los nutrientes de colágeno hidrolizado o ácido hialurónico para prevenir el envejecimiento de la piel, por citar algunos ejemplos.

¿Qué piensas sobre estos avances? Expresa tu opinión, contestando estas cuestiones: ❙❙¿Qué ventajas ofrecen los nuevos combustibles que utilizamos actualmente, frente a los que existían hace una o dos décadas? ❙❙¿Qué propuestas novedosas ofrecen al consumidor las empresas del sector cosmético desde sus departamentos de innovación y desarrollo? ¿Por qué lo hacen?

114 UNIDAD 5

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2 Física y Química

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Física y Química

Presentación Este material, dirigido a los alumnos que cursan la materia de Física y Química en 2.º curso de ESO, tiene como objetivo principal facilitar la adquisición de los contenidos y el desarrollo de las competencias en el ámbito de esta materia. Este material lo configuran los temas correspondientes a los bloques de contenidos de Actividad científica, Materia, La materia por dentro, Cambios de la materia, Movimientos, Fuerzas y Energía. En el desarrollo de cada tema se abordan los contenidos fundamentales y se trabajan las competencias clave. Todos los bloques incorporan de forma muy sucinta una serie de contenidos, a los que les siguen actividades para resolver. De este modo, se favorece la consolidación de dichos contenidos. Cada bloque temático finaliza con una experimentación y/o investigación científica, una lectura científica acompañada de actividades y una sección para investigar con el ordenador.

La materia Propiedades de la materia Materia es todo aquello que ocupa un volumen en el espacio y tiene masa. Las propiedades de la materia se clasifican en: • Generales: son comunes a toda la materia y, por tanto, no permiten distinguir una clase de materia de otra. Por ejemplo, la masa, el volumen o la temperatura. • Características: son las propiedades que permiten diferenciar unos materiales de otros. Por ejemplo, el color, la dureza, la forma, el sabor o la elasticidad.

Estados de la materia La materia se puede presentar en tres estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso. • Los sólidos mantienen su forma y su volumen, ya que las partículas que los componen se sitúan en posiciones fijas. • Los líquidos no conservan la forma pero sí el volumen, pues sus partículas pueden deslizarse y cambiar de posición, aunque sin perder el contacto. • Los gases no presentan forma ni volumen fijos, debido a que sus partículas se encuentran muy separadas y en continuo movimiento.

Sólido

Líquido

Gas

Los cambios de estado –que son procesos físicos, en los cuales no cambia la naturaleza de las sustancias– se producen al calentar o enfriar el sistema por encima o por debajo de una determinada temperatura. Existen seis cambios de estado posibles: Sublimación inversa Solidificación

Sólido

Condensación

Líquido

Fusión

Gas

Vaporización Sublimación La materia

Clasificación de la materia La materia se clasifica en: • Sustancias puras: son aquellas que no pueden dar lugar a otras sustancias mediante procedimientos físicos. Se clasifican a su vez en elementos y compuestos. • Mezclas: están formadas por varias sustancias.

– Mezclas heterogéneas, en las cuales pueden distinguirse sus componentes. – Mezclas homogéneas o disoluciones, en las que es imposible distinguir sus componentes.

Disoluciones Las disoluciones son mezclas homogéneas. Se denominan solutos las sustancias presentes en menor cantidad y disolvente, a la que está en mayor cantidad. La concentración de una disolución (C) expresa la cantidad de soluto en un cierto volumen de disolución. Puede calcularse en gramos por litro (g/L): C=

masa soluto (g) volumen disolución (L)

Según la proporción de soluto que contienen, las disoluciones se clasifican en: • Diluidas: contienen muy poca cantidad de soluto con relación al volumen total de la disolución. • Concentradas: la cantidad de soluto es alta en proporción a la del disolvente. • Saturadas: no pueden admitir más soluto, de modo que, si se añade más, este no llega a disolverse.

Separación de mezclas Para separar una mezcla, se utilizan procedimientos físicos basados en las distintas propiedades de las sustancias que componen dicha mezcla: temperatura de ebullición, densidad, estado de agregación, etc. Para mezclas heterogéneas, suelen utilizarse estos procedimientos: • La filtración, para separar un sólido de un líquido, y el tamizado, para separar sólidos en función del distinto tamaño de las partículas. • La decantación, para separar líquidos inmiscibles en función de su densidad.

Para mezclas homogéneas, se usan estos otros: • La cristalización, para separar un sólido disuelto en un líquido. • La destilación, para separar líquidos en función de su punto de ebullición.

La materia

Actividades 22 Explica por qué los minerales, las plantas, los animales y el aire son todos ellos materia. 23 Si se tapa la salida de una jeringuilla, es imposible seguir bajando el émbolo. ¿Qué viene a demostrar este experimento en relación a las propiedades de los líquidos? 24 Clasifica las siguientes propiedades de la materia en generales o características: a) Volumen

d) Dureza

b) Conductividad térmica

e) Densidad

c) Temperatura

f) Punto de ebullición

25 ¿Verdadero o falso? Consulta si es necesario en libros o en Internet. a) La capacidad de un cuerpo para ser modelado en láminas se conoce como maleabilidad. b) La ductilidad es la facilidad que posee un sólido para romperse por un impacto. c) La fragilidad es la resistencia de un sólido a ser rayado por otro. d) La capacidad de un cuerpo para recuperar su forma después de ser sometido a un esfuerzo es la elasticidad. e) La capacidad de un sólido para ser estirado en hilos sin romperse es la maleabilidad.

26 ¿Qué propiedades mecánicas observas en las imágenes? A

27 Cita alguna propiedad por la que el cobre es utilizado para fabricar cables eléctricos. 28 ¿Por qué crees que se utiliza lana en la confección de prendas de abrigo? Explícalo. 29 ¿Qué sustancia dura y transparente sirve para fabricar ventanas y lentes ópticas? 30 Observa las ilustraciones y contesta en tu cuaderno: a) ¿Qué estado de la materia distingues en cada paso? b) ¿Cómo se llama el cambio de estado que tiene lugar entre los pasos 1 y 2? ¿Y entre los pasos 2 y 3? c) ¿Por qué se producen estos cambios de estado?

d) ¿Qué sucede con las partículas de una sustancia cuando se incrementa su temperatura? La materia

31 ¿Cómo se llama el proceso por el que un líquido se convierte en gas? ¿Y en sólido? 32 Observa la gráfica y contesta a las preguntas: a) ¿En qué tramo de la gráfica se produce la fusión? b) ¿En cuál se produce la vaporización? c) ¿Varía la temperatura mientras se están produciendo los cambios de estado?

33 Contesta en qué estado de agregación se halla la materia en cada caso: a) En un recipiente abierto, se difunde rápidamente al exterior. b) Al pasar de un recipiente a otro, cambia de forma. c) Aunque se le aplique presión, su volumen no disminuye.

34 ¿Qué son las sustancias puras? ¿Cómo se clasifican a su vez? 35 ¿Qué es una mezcla? ¿Cómo pueden ser las mezclas de dos o más sustancias? 36 Clasifica en tu cuaderno las siguientes sustancias según sean puras o mezclas: a) Gasolina

d) Aire

g) Hierro

b) Agua de mar

e) Arena

h) Oxígeno

c) Metano

f) Madera

i) Barro

37 Señala en tu cuaderno si las siguientes mezclas son homogéneas o heterogéneas: a) Ensalada mixta b) Leche c) Café solo d) Conglomerado

38 ¿Cómo se llama el agua que podemos beber? Además de agua, ¿qué contiene el agua que solemos beber? 39 El propano es un gas formado por carbono e hidrógeno. Posee un punto de fusión de –187,7 ºC y un punto de ebullición de – 42,1 ºC. ¿De qué tipo de sustancia se trata? ¿Por qué? 40 ¿Qué diferencia hay entre una disolución y una sustancia pura? ¿Se parecen en algo? 41 Investiga e indica el soluto y el disolvente de cada una de estas disoluciones: a) Agua con gas

La materia

b) Agua del mar

c) Acero

42 Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué nombre recibe el componente más abundante de una disolución? b) ¿Cuántos disolventes puede haber en una disolución? c) ¿Cómo se denominan los componentes minoritarios de una disolución? d) ¿Puede una disolución contener más de un soluto?

43 A Jorge le gusta la leche con mucho azúcar. ¿Cómo podría disolver mayor cantidad de azúcar, en la leche fría o cuando está caliente? 44 Se tienen 2 L de una disolución de agua con azúcar cuya concentración es de 20 g/L: a) ¿Cuál es el disolvente? b) ¿Qué cantidad de soluto hay en cada litro de disolución? c) ¿Qué cantidad de soluto hay en 2 L de disolución? d) Si calentamos la disolución hasta que se evapore toda el agua, ¿cuánto azúcar obtendremos?

45 El suero fisiológico contiene 9 g/L de cloruro sódico. ¿Cuántos gramos de cloruro sódico tendremos que añadir al agua para preparar 500 mL de suero? 46 Calcula la cantidad de sal que contendrán 250 cm3 de disolución de agua y sal común si la concentración es de 15 g/L. Recuerda que 1 cm3 = 1 mL. 47 Indica la técnica que se debe utilizar para separar: a) Arena y piedras

c) Sal y agua

b) Alcohol y agua

d) Aceite y agua

48 ¿Qué diferencia hay entre filtrar y tamizar? Explícalo con ejemplos. 49 ¿Qué técnica consiste en dejar reposar la mezcla de modo que el líquido más denso quede en el fondo, separándose así del menos denso, que queda por encima? 50 Describe, brevemente, qué mezclas podríamos separar mediante filtración con papel. 51 Observa la ilustración y responde a las preguntas.

a) ¿De qué técnica de separación se trata? b) ¿Qué sustancias permite separar? ¿En qué se basa?

c) ¿Dónde se produce la vaporización? d) ¿En qué parte tiene lugar la condensación?

La materia

Para experimentar Estados de la materia Con este experimento, vas a llevar a cabo algunos de los cambios de estado de la materia. Concretamente, observarás los procesos de solidificación, fusión, evaporación y condensación que sufre el agua al enfriarla y calentarla sucesivamente.

Material necesario • Utensilios e instalaciones de cocina • Agua • Una cubitera • Una cazuela con tapa Cuenta con la ayuda de un adulto para realizar este experimento.

Procedimiento 1 Solidificación: paso de líquido a sólido. Llena de agua la cubitera y métela en el congelador. Abre de vez en cuando la puerta para observar cómo se va solidificando el agua. Con el frío, el agua se endurece hasta convertirse en hielo. 2 Fusión: paso de sólido a líquido.

Extrae la cubitera del congelador y vierte los cubitos de hielo en la cazuela. Observa cómo, al calentar la cazuela, el hielo se derrite y el agua regresa al estado líquido. 3 Vaporización: paso de líquido a gas.

Una vez fundido todo el hielo, sigue calentando el agua líquida. Observa cómo hierve cuando alcanza su punto de ebullición (100 ºC). El agua en estado líquido pasa entonces a estado gaseoso, que escapa de la cazuela en forma de vapor de agua. 4 Condensación: paso de gas a líquido.

Ahora tapa la cazuela. Observa cómo el vapor se condensa formando gotitas de agua en el interior de la tapa, al hallarse esta más fría. El agua en estado gaseoso ha vuelto al estado líquido.

La materia

Practica la lectura científica

Cuando se habla de los estados de agregación de la materia, casi todo el mundo piensa en sólidos, líquidos y gases. Sin embargo, estos tres estados apenas constituyen el 1 % del total de la materia que, a día de hoy, sabemos que contiene el universo. La mayoría de la materia del cosmos se encuentra en un estado denominado plasma, que no es ni sólido, ni líquido, ni gas. De plasma están hechos los cuerpos que acumulan la mayor cantidad de masa del universo: las estrellas. Pero ¿qué es exactamente el plasma? El plasma está constituido por átomos con carga eléctrica positiva (cationes), electrones y neutrones. Se trata, pues, de un puñado de partículas que se mueven sin orden aparente. El Sol es un plasma gigantesco, lleno de átomos de hidrógeno y helio que han perdido total o parcialmente sus electrones como consecuencia de las elevadísimas temperaturas que se generan, de hasta 15 millones de grados centígrados. El plasma conduce la corriente eléctrica, una característica que el ser humano ha aprovechado para desarrollar aplicaciones relacionadas con la producción de energía eléctrica, como las lámparas y tubos fluorescentes, o los carteles de neón. Pero lo que ha hecho realmente famoso al plasma son las «televisiones de plasma».

52 ¿Qué es el plasma? 53 ¿Por qué se dice en el texto que es el estado de la materia más común en el universo? 54 ¿Qué aplicaciones tiene el plasma para el ser humano?

Trabaja con el ordenador 55 ¿Qué propiedades caracterizan al vidrio? Piensa en algunos objetos fabricados en este material tan común. 56 Busca la información necesaria en Internet y resume en un breve párrafo cómo se obtiene el vidrio, comenzando por la materia prima utilizada. 57 ¿Qué ventajas tiene el reciclaje del vidrio? ¿En qué contenedor se depositan los envases de vidrio? Más información en internet El vidrio tiene infinitas vidas. Completa tu información acerca de esta importante cuestión del reciclaje del vidrio en la siguiente dirección: http://www.ecovidrio.es/reciclado/no-tengas-dudas La materia

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