Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12

8Sustancias puras y mezclas

La etiqueta de una botella de agua mineral enumera una docena de sustancias disueltas, con sus cantidades en miligramos por litro. El agua que sale del purificador de un laboratorio no enumera ninguna. Las dos son transparentes e incoloras, las dos quitan la sed y, sin embargo, solo una de ellas es lo que un químico llama pura. Este capítulo da a la palabra “pura” su sentido exacto y enseña a distinguir una sustancia pura de una mezcla sin probar nada.

Lo que ya sabes

Mezclar es juntar cosas distintas; un sólido que se disuelve en agua deja el líquido transparente, y ese líquido transparente es una disolución (Capítulo 2). Las mezclas se pueden separar por tamizado, decantación, filtración y evaporación (Capítulo 3). Todo material tiene propiedades que se pueden poner a prueba: duro o blando, transparente o no, flota o se hunde (Capítulo 1).

8.1 Especies químicas y sustancias puras

Definición 8.1 (Especie química)

Una especie química es una clase concreta de sustancia, con su propio nombre y sus propias propiedades: el agua, el azúcar, la sal, el oxígeno, el etanol (el alcohol del vino), el hierro.

Definición 8.2 (Sustancia pura)

Una sustancia pura está formada por una sola especie química y nada más: el agua destilada, un cristal de azúcar, un anillo de oro puro.

Definición 8.3 (Mezcla)

Una mezcla contiene varias especies químicas. El aire, el agua del mar, el agua mineral, la leche, el granito y el zumo de naranja son mezclas.

Observación 8.4 (Puro en el lenguaje de todos los días)

Un brik de “zumo de naranja puro” quiere decir que no se ha añadido nada al zumo. Para un químico, el zumo sigue siendo una mezcla: agua, azúcares, ácidos, vitaminas, colorantes y aromas, muchas especies químicas. El “agua pura de manantial” también es una mezcla: agua con sales disueltas.

Clasificación de la materia. Las cajas de abajo dan ejemplos de cada clase.

8.2 Mezclas homogéneas y heterogéneas

Definición 8.5 (Mezclas homogéneas y heterogéneas)

Una mezcla es una mezcla homogénea cuando sus distintas partes no se pueden distinguir a simple vista, ni siquiera con una lupa: tiene el mismo aspecto en todas partes. Es una mezcla heterogénea cuando se ven al menos dos partes distintas.

Ejemplo 8.6 (Cuatro mezclas)

El agua salada y el aire son homogéneos: sus partes no se ven. El aceite sobre el agua es heterogéneo: dos capas. El agua turbia es heterogénea: en ella flotan granos que acaban depositándose. El zumo de naranja con pulpa es heterogéneo: se ven los trocitos de pulpa.

Una mezcla homogénea y tres mezclas heterogéneas.

Granito: se ven granos de tres o cuatro minerales distintos. Un sólido heterogéneo. Foto: Eurico Zimbres, CC BY-SA 2.0 br.

Observación 8.7 (Homogénea no quiere decir pura)

El agua salada se parece exactamente al agua pura. Mirar no basta para distinguir una sustancia pura de una mezcla homogénea: hay que medir algo.

8.3 Identificar una sustancia pura por sus constantes

Proposición 8.8 (Una sustancia pura tiene sus propias constantes)

Cada sustancia pura funde a una temperatura fija que le es propia, hierve a una temperatura fija que le es propia (a presión normal) y tiene su propia masa para un volumen dado, su densidad. Estos números son sus constantes; el libro de física explica qué miden. Para algunas sustancias puras:

sustancia pura	funde a	hierve a	masa de $1\,\mathrm{cm}^{3}$
agua	$0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	unos $1.0\,\mathrm{g}$
etanol	$-114\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$0.79\,\mathrm{g}$
propanona (acetona)	—	$56\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	$0.78\,\mathrm{g}$
sal (cloruro de sodio)	$801\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	—	$2.17\,\mathrm{g}$
hierro	$1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	—	$7.87\,\mathrm{g}$

Proposición 8.9 (Una mezcla no tiene una temperatura de ebullición fija)

Una mezcla no hierve a una temperatura fija: el agua salada empieza a hervir un poco por encima de $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , y su temperatura sigue subiendo mientras hierve, porque el agua se va y la sal que queda se concentra cada vez más.

Método 8.10 (¿Es puro este líquido? ¿Cuál es?)

Calentarlo, en el laboratorio, y leer su temperatura mientras hierve.
Si la temperatura se mantiene fija, el líquido es probablemente una sustancia pura: comparar esa temperatura con una tabla de constantes.
Si la temperatura sigue subiendo, es una mezcla.
Confirmar con una segunda constante, por ejemplo la masa de un volumen conocido.

En el laboratorio — Hervir agua salada

El profesor calienta agua pura y agua salada una al lado de la otra, cada una con un termómetro dentro. El agua pura hierve a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y se mantiene ahí mientras hierve. El agua salada empieza a hervir un poco por encima de $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , y el termómetro va subiendo poco a poco, minuto tras minuto.

8.4 El agua, pura y no tan pura

Ejemplo 8.11 (Cuatro aguas)

El agua destilada, que se fabrica en un laboratorio, es casi una sustancia pura: agua y nada más.
El agua del grifo es una mezcla homogénea: agua con pequeñas cantidades de sustancias disueltas (una gota secada sobre un plato oscuro deja un cerco blanco).
El agua mineral es una mezcla homogénea cuya etiqueta indica las sustancias disueltas, en miligramos por litro.
El agua del mar es una mezcla homogénea que contiene unos $35\,\mathrm{g}$ de sales en cada kilogramo.

Una botella de agua mineral: transparente e incolora y, aun así, una mezcla.

Ejemplo 8.12 (Leer la etiqueta de un agua mineral)

Una etiqueta indica: calcio $78\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , magnesio $24\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , sodio $5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , hidrogenocarbonato $357\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , sulfato $10\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ , cloruro $4\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ . (Estas cifras son un ejemplo.) En un litro hay $78 + 24 + 5 + 357 + 10 + 4 = 478$ mg de sustancias disueltas, alrededor de medio gramo: muy poco al lado de los $1000\,\mathrm{g}$ de agua, pero suficiente para que sea una mezcla.

8.5 Ejercicios

Ejercicio 8.1 ★

¿Sustancia pura o mezcla? Agua destilada, aire, agua del mar, un bloque de hierro puro, leche, un cristal de azúcar.

Solución

Solución de Ejercicio 8.1.

Sustancias puras: el agua destilada, el bloque de hierro puro, el cristal de azúcar. Mezclas: el aire, el agua del mar, la leche.

Ejercicio 8.2 ★

¿Homogénea o heterogénea? Agua salada, granito, aceite sobre agua, agua del grifo, muesli.

Solución

Solución de Ejercicio 8.2.

Homogéneas: el agua salada, el agua del grifo. Heterogéneas: el granito, el aceite sobre agua, el muesli.

Ejercicio 8.3 ★

¿Qué es una especie química? Da tres ejemplos.

Solución

Solución de Ejercicio 8.3.

Una clase concreta de sustancia, con su propio nombre y sus propias propiedades: por ejemplo el agua, la sal, el etanol (también el azúcar, el oxígeno, el hierro).

Ejercicio 8.4 ★

Un líquido hierve a $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , y su temperatura se mantiene en $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ mientras hierve. Usa la tabla de constantes para proponer de qué líquido se trata.

Solución

Solución de Ejercicio 8.4.

Una temperatura de ebullición fija sugiere una sustancia pura; $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ es la temperatura de ebullición del etanol.

Ejercicio 8.5 ★

¿Por qué el “zumo de naranja puro” no es una sustancia pura para un químico?

Solución

Solución de Ejercicio 8.5.

Contiene muchas especies químicas (agua, azúcares, ácidos, vitaminas, aromas): es una mezcla. “Puro” en el brik solo quiere decir que no se le ha añadido nada.

Ejercicio 8.6 ★★

Un líquido empieza a hervir a $100.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y su temperatura sube mientras hierve. ¿Es una sustancia pura? ¿Qué podría ser?

Solución

Solución de Ejercicio 8.6.

No: una sustancia pura hierve a una temperatura fija. Es una mezcla, probablemente agua con algo disuelto, como agua salada.

Ejercicio 8.7 ★★

Mira la figura de los cuatro vasos de precipitados. ¿En qué vaso podría un filtro separar las partes de la mezcla? ¿En qué vaso no podría?

Solución

Solución de Ejercicio 8.7.

Un filtro podría separar el agua turbia (los granos se quedan en el papel) y el zumo con pulpa (la pulpa se queda). No puede separar el agua salada (la sal está disuelta) ni el aceite del agua (los dos líquidos atraviesan el filtro; se separan vertiendo la capa de arriba).

Ejercicio 8.8 ★★

Un cubo de metal de volumen $10\,\mathrm{cm}^{3}$ tiene una masa de $78.7\,\mathrm{g}$ . ¿Cuál es la masa de $1\,\mathrm{cm}^{3}$ ? ¿Qué metal de la tabla podría ser?

Solución

Solución de Ejercicio 8.8.

$78.7 \div 10 = 7.87\,\mathrm{g}$ por $1\,\mathrm{cm}^{3}$ : hierro.

Ejercicio 8.9 ★★

Con la etiqueta de agua mineral del ejemplo, ¿qué porcentaje de la masa disuelta es hidrogenocarbonato? Redondea al número entero más próximo.

Solución

Solución de Ejercicio 8.9.

$\frac{357}{478} \approx 0.747$ : alrededor del $75\,\%$ .

Ejercicio 8.10 ★★

El agua del mar contiene unos $35\,\mathrm{g}$ de sales por kilogramo. ¿Qué masa de sales hay en un cubo de $2\,\mathrm{kg}$ de agua del mar? ¿Qué porcentaje de la masa del agua del mar es sal?

Solución

Solución de Ejercicio 8.10.

$2 \times 35 = 70\,\mathrm{g}$ de sales. Porcentaje: $\frac{35}{1000} = 3.5\,\%$ .

Ejercicio 8.11 ★★★

Dos líquidos transparentes e incoloros parecen idénticos. Describe dos medidas, hechas en un laboratorio, que mostrarían si son la misma sustancia pura.

Solución

Solución de Ejercicio 8.11.

Medir sus temperaturas de ebullición (cada una debe mantenerse fija mientras hierve, y las dos deben ser iguales) y pesar el mismo volumen de cada uno (masas iguales). Dos constantes iguales, ambas fijas, apuntan a la misma sustancia pura.

Ejercicio 8.12 ★★★

Una mezcla está formada por $90\,\mathrm{g}$ de agua y $10\,\mathrm{g}$ de etanol. ¿Qué porcentaje de su masa es etanol? ¿Se puede identificar con la tabla de constantes? Explícalo.

Solución

Solución de Ejercicio 8.12.

$\frac{10}{90 + 10} = 10\,\%$ de etanol. Es una mezcla: no tiene una temperatura de ebullición fija y no aparece en la tabla, que solo enumera sustancias puras.

8.6 Problema: Tres líquidos incoloros

Problema 8.1

Problema de fin de semana — tres matraces sin etiqueta con un líquido transparente e incoloro, y las medidas que los distinguen

Un auxiliar de laboratorio encuentra tres matraces, A, B y C, a los que se les han caído las etiquetas. Los tres contienen un líquido transparente e incoloro. El laboratorio solo usa tres líquidos así: agua destilada, etanol y agua del mar traída de una salida de campo. El auxiliar hace tres tipos de medidas, en el laboratorio.

Parte I — Mirar.

Los tres líquidos parecen exactamente iguales. ¿Puede el auxiliar saber, mirándolos, cuáles son sustancias puras? Explícalo.
Si uno de ellos es una mezcla, ¿es homogénea o heterogénea?
¿Qué tipo de medida puede mostrar que un líquido es una sustancia pura?

Parte II — Medir. Se calienta cada líquido hasta que hierve. El líquido A hierve a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y su temperatura se mantiene ahí. El líquido B hierve a $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y se mantiene ahí. El líquido C empieza a hervir a $100.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , y su temperatura sigue subiendo despacio. Después se pesan $50.0\,\mathrm{mL}$ de cada líquido: A $49.8\,\mathrm{g}$ , B $39.5\,\mathrm{g}$ , C $51.2\,\mathrm{g}$ .

¿Qué líquidos son sustancias puras? ¿Cuál es una mezcla?
Con la tabla de constantes de este capítulo, nombra los líquidos A y B.
Calcula la masa de $1\,\mathrm{mL}$ (es decir, $1\,\mathrm{cm}^{3}$ ) de cada líquido.
¿Concuerdan estas masas con tu respuesta a la pregunta 5?
¿Por qué la temperatura del líquido C sigue subiendo mientras hierve?

Parte III — ¿Qué hay en el líquido C? Se dejan secar en un recipiente $100\,\mathrm{mL}$ del líquido C. Cuando toda el agua se ha ido, quedan $3.5\,\mathrm{g}$ de cristales blancos.

¿Qué muestra este residuo sobre el líquido C?
Con la masa de $1\,\mathrm{mL}$ de C hallada en la pregunta 6, calcula la masa de $100\,\mathrm{mL}$ de C y, después, el porcentaje de su masa que es sal (con un decimal).
El agua del mar contiene unos $35\,\mathrm{g}$ de sales en cada kilogramo. ¿Qué porcentaje es eso? Compáralo con la pregunta 10.
Concluye: ¿cuántos gramos de sal contiene cada litro del líquido C, y es el líquido C el agua del mar?

Solución

Solución de Problema 8.1.

1. No. Una sustancia pura y una mezcla homogénea pueden parecer exactamente iguales: hay que medir algo.

2. Homogénea: es transparente y sus partes no se ven.

3. Una constante: una temperatura de ebullición que se mantiene fija mientras el líquido hierve (o la masa de un volumen conocido, comparada con una tabla).

4. A y B, cuyas temperaturas de ebullición se mantienen fijas, son sustancias puras. C es una mezcla.

5. A hierve a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : agua. B hierve a $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : etanol.

6. A: $49.8 \div 50.0 = 0.996\,\mathrm{g}$ . B: $39.5 \div 50.0 = 0.790\,\mathrm{g}$ . C: $51.2 \div 50.0 = 1.024\,\mathrm{g}$ .

7. Sí: unos $1.0\,\mathrm{g}$ para el agua y $0.79\,\mathrm{g}$ para el etanol.

8. A medida que el agua se va al hervir, la sal se queda, así que el líquido que queda contiene cada vez más sal; entonces hierve a una temperatura más alta.

9. El líquido C contiene un sólido disuelto: es una disolución, una mezcla, como ya mostraba su ebullición.

10. $100 \times 1.024 = 102.4\,\mathrm{g}$ ; $\frac{3.5}{102.4} \approx 0.034$ : alrededor del $3.4\,\%$ de la masa es sal.

11. $\frac{35}{1000} = 3.5\,\%$ : muy cerca del resultado de la pregunta 10.

12. $3.5\,\mathrm{g}$ en $100\,\mathrm{mL}$ , así que $3.5 \times 10 = 35\,\mathrm{g}$ de sal por litro. Por su contenido en sal y por cómo hierve, C es el agua del mar; A es el agua destilada y B, el etanol.

Términos definidos en este capítulo

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