Sustancias puras y mezclas

Una sustancia pura es aquella que tiene una composición química fija y definida, y sus propiedades no cambian independientemente de su origen. Por ejemplo, el agua pura siempre tendrá las mismas propiedades, ya sea obtenida de un glaciar o de un laboratorio.

Por el contrario, una mezcla es la combinación de dos o más sustancias puras en la que cada una de ellas mantiene sus propiedades químicas. A diferencia de las sustancias puras, la composición de las mezclas es variable; podemos añadir más o menos azúcar a un café y seguirá siendo una mezcla de café y azúcar.

Dentro de las sustancias puras, distinguimos dos tipos según si pueden descomponerse o no:

1. Sustancias simples o elementos: Son sustancias formadas por un solo tipo de átomo. No se pueden descomponer en otras más sencillas por métodos químicos. Se representan mediante símbolos químicos (como el Oxígeno, $O$; el Hierro, $Fe$; o el Oro, $Au$).
2. Compuestos químicos: Son sustancias formadas por la unión de dos o más elementos diferentes en una proporción fija. Se pueden descomponer en sus elementos mediante reacciones químicas. Se representan con fórmulas químicas, como el agua ($H_2O$), que siempre contiene dos átomos de hidrógeno por uno de oxígeno.

Para saber si una muestra es una sustancia pura o una mezcla, los científicos analizan sus propiedades específicas.

• Puntos de fusión y ebullición: Una sustancia pura cambia de estado a una temperatura fija y constante (por ejemplo, el agua pura hierve a $100 ^\circ C$ a nivel del mar). En una mezcla, la temperatura varía durante el cambio de estado.
• Densidad: Cada sustancia pura tiene una densidad única a una temperatura dada. La densidad es un criterio de pureza fundamental; si la densidad de una muestra de oro no es $19,3 \, g/cm^3$, sabemos que contiene impurezas.

En estas mezclas, los componentes se pueden distinguir a simple vista o con una lupa porque no están distribuidos de forma uniforme. Sus propiedades varían de un punto a otro de la mezcla.

• Ejemplos cotidianos: Una ensalada, el granito (donde se ven los granos de cuarzo, feldespato y mica) o una sopa de fideos.

Presentan un aspecto uniforme incluso bajo el microscopio. Sus componentes están tan bien mezclados que no pueden distinguirse. En química, estas mezclas se llaman disoluciones.

Constan de dos partes:

• Disolvente: El componente que está en mayor cantidad (generalmente el líquido).
• Soluto: La sustancia que se disuelve (está en menor cantidad).

Las disoluciones no son solo líquidas; existen disoluciones gaseosas (como el aire, mezcla de nitrógeno y oxígeno) y sólidas (como el bronce, mezcla de cobre y estaño).

Existen mezclas que parecen homogéneas pero no lo son.

• Suspensiones: Mezclas heterogéneas donde partículas sólidas son visibles y acaban sedimentando (como el zumo de naranja con pulpa).
• Coloides: Tienen una apariencia engañosa; parecen homogéneos pero dispersan la luz. Esto se conoce como el efecto Tyndall (por ejemplo, la niebla o la leche). El efecto Tyndall permite diferenciar un coloide de una disolución verdadera.

Según la cantidad de soluto disuelto, clasificamos las disoluciones en:

1. Diluidas: Tienen muy poco soluto en relación al disolvente.
2. Concentradas: Tienen una cantidad considerable de soluto.
3. Saturadas: Contienen la máxima cantidad de soluto que el disolvente puede admitir a una temperatura determinada. Si añadimos más soluto, este no se disolverá y se irá al fondo.

La concentración indica la cantidad de soluto que hay en una cantidad dada de disolución. Las fórmulas más usadas son:

• Porcentaje en masa (% masa): $\% \text{masa} = \frac{\text{masa del soluto (g)}}{\text{masa de la disolución (g)}} \cdot 100$
• Porcentaje en volumen (% volumen): $\% \text{volumen} = \frac{\text{volumen del soluto (mL)}}{\text{volumen de la disolución (mL)}} \cdot 100$
• Concentración en gramos por litro (g/L): $C = \frac{\text{masa del soluto (g)}}{\text{volumen de la disolución (L)}}$

La solubilidad es la capacidad de una sustancia de disolverse en otra. No es infinita y depende de factores como la temperatura. En la mayoría de los sólidos, la solubilidad aumenta al subir la temperatura (por eso el azúcar se disuelve mejor en leche caliente). Las curvas de solubilidad son gráficas que representan cuántos gramos de soluto se pueden disolver en $100 \, g$ de agua según la temperatura.

• Filtración: Se usa para separar un sólido de un líquido mediante un filtro que deja pasar el líquido pero retiene el sólido. Ejemplo: el filtro de la cafetera.
• Decantación: Se usa para separar dos líquidos inmiscibles (que no se mezclan) con distinta densidad, como el agua y el aceite, usando un embudo de decantación.
• Tamizado: Separa sólidos de distinto tamaño mediante una malla o tamiz.

Esta técnica se basa en las propiedades ferromagnéticas de algunos metales. Si una mezcla contiene hierro, níquel o cobalto, podemos usar un imán para extraerlos. Es una técnica vital en las plantas de reciclaje para separar envases metálicos del resto de residuos.

Es un método para acelerar la sedimentación de partículas sólidas en un líquido. Se coloca la mezcla en una centrífuga que gira a gran velocidad. La fuerza centrífuga empuja los componentes más densos al fondo. Es fundamental en medicina para separar los componentes de la sangre (plasma y células).

Se utiliza para separar un soluto sólido disuelto en un líquido. Si dejamos evaporar el líquido, el sólido queda en el recipiente. Si el proceso es lento, los átomos se organizan formando cristales. Este es el método usado en las salinas para obtener sal del agua de mar.

Se utiliza para separar dos líquidos que tienen puntos de ebullición muy diferentes o un sólido disuelto en un líquido si queremos recuperar el líquido.

1. Se calienta la mezcla hasta que el componente más volátil hierve.
2. El vapor pasa por un refrigerante donde se enfría y vuelve a ser líquido (condensación).
3. El líquido puro se recoge en otro recipiente. Es el método para obtener agua destilada.

Es una técnica para separar los componentes de una mezcla según su velocidad de desplazamiento por un soporte (fase estacionaria) arrastrados por un disolvente (fase móvil).

• Aplicación: Separar los pigmentos de una tinta o de una hoja verde. Los componentes más afines al disolvente avanzarán más rápido, creando bandas de colores distintas en el papel.