PRIMERA PARTE CAPÍTULO 1 I MANIFESTACIONES NT DE...

Así, para Glasstone, el motivo de la clasificación era sólo de conve-niencia para el estudio de los fenómenos. Dicha moderación se ha disi-pado posteriormente, cuando centenas de libros definen de manera for-mal e insisten en diferenciar tajantemente los fenómenos físicos de losquímicos, a través de aseveraciones como las siguientes:

• Un cambio físico es aquel en que no cambia la identidad quí-mica de la materia aunque, en todo caso, cambie su forma. Latransformación física no es permanente, ya que mediante uncambio en las condiciones externas puede volverse al estadoinicial del sistema con un gasto menor de energía. Doblar unahoja de papel es un cambio físico. Otro ejemplo es un cambiode fase o de estado de agregación (cuando una sustancia pasadel estado líquido al sólido o al gaseoso, entre otros). En todocambio físico la sustancia conserva su identidad química. Pa-pel o papel doblado, ambos son celulosa. Hielo y vapor de agua

CON ESCEPTICISMO:¿Cambios físicos y químicos?

Es bastante generalizada la tendencia a clasificar los fenómenos natura-les en dos grandes bloques: uno que agrupa a los de carácter físico yotro a los de naturaleza química. El libro clásico de Samuel Glasstone(1946) toca el tema con suma prudencia, al decir:

CAPÍTULO

1

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1

La materia en la naturaleza

TEMARIO

CON ESCEPTICISMO: ¿Cambios físicos y químicos? 15

CONCEPTOS FUNDAMENTALES: LA MATERIA 17Sustancias y mezclas 18

TE TOCA A TI: Sustancias y mezclas 19PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS 19

Propiedades físicas intensivas 19HERRAMIENTAS: Sistema Internacional de

Unidades 20Solubilidad 20Densidad 20Punto de fusión 20Punto de (ebullición) normal 20Capacidad calorífica específica 21Viscosidad 21

TE TOCA A TI: Denso y viscoso 21Propiedades químicas intensivas 21

TE TOCA A TI: Busca otras propiedades 22MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS 22

Filtración 22Destilación 22

DESCÚBRELO TÚ: Contenido alcohólico enalgunas bebidas 23

Cristalización 23DESCÚBRELO TÚ: Cristalización fraccionada24

Extracción 24DESCÚBRELO TÚ: Cafeína en una bebida decola 25

Cromatografía 25DESCÚBRELO TÚ: Colorantes en la gelatina 26TE TOCA A TI: Otros procesos de separación26

DEL PASADO: Metales, elementos; gemas, mezclas27

CTS Industrial: Destilación del petróleo 28El proceso de formación del petróleo 28Importancia económica del petróleo 29Destilación del gas natural 29

PROBLEMAS Y ACTIVIDADES 31BIBLIOGRAFÍA 33

15

PRIMERA PARTE

MANIFESTACIONESDE LA MATERIA

“Con el propósito de su estudio, se ha encontrado convenientedividir los fenómenos naturales en dos clases:

Una consiste de cambios de naturaleza aparentemente perma-nente, que involucran la transformación de una forma de mate-ria en otra (QUÍMICA);

otros son cambios temporales, generalmente, resultantes de laalteración de las condiciones externas (FÍSICA)”.

16 PR IMERA PARTE Man i f e s t a c i o ne s d e l a ma t e r i a

tienen algunas propiedades diferentes, pero ambos son muestras de agua quepueden reaccionar químicamente como tal.

• Un cambio químico es aquel en donde una clase de materia se transforma enotra, a través de una reacción química. Por ejemplo, el hierro, Fe, reacciona conel oxígeno, O2, para formar herrumbre u óxido de hierro (III), Fe2O3. Podemosasegurar que se trata de un cambio químico porque las propiedades de los reacti-vos (hierro: metal; oxígeno: gas incoloro) son notablemente diferentes a las delproducto (óxido de hierro: sólido marrón quebradizo). Para que la herrumbrepueda convertirse otra vez en hierro y oxígeno gaseoso se necesita efectuar nue-vamente un cambio químico. Los materiales originales, hierro y oxígeno, nopueden separarse de la herrumbre mediante ningún cambio físico.

En otro libro de la época, Linus Pauling (1947) define como propiedades químicasde las sustancias a “aquellas que se refieren a su comportamiento en las reacciones quími-cas” y a éstas como “los procesos por los cuales unas sustancias se transforman en otras”.Así, todo estaría posiblemente claro si pudiéramos caracterizar en forma nítida lo que sig-nifica “la transformación de una forma de materia en otra”. ¿Cómo podemos asegurar,mediante la observación, que ha ocurrido un cambio químico? ¿Qué significa eso de que“una forma de materia se transforma en otra”? Los siguientes ejemplos pueden ayudarnosa establecer más firmemente el debate, al fomentar en ti el escepticismo sobre este tema:

1. ¿Qué argumentos puedes dar para sostener que, al congelarse, el agua líquida nose ha transformado en una nueva forma de materia? ¿Algo más que la reversibi-lidad del proceso al aumentar nuevamente la temperatura? ¿Es convincente quela congelación no es un fenómeno químico? ¿Cómo podrías demostrar con argu-mentos observacionales que el hielo y el agua líquida están formados por la mis-ma clase de materia?

2. No cabe duda que las propiedades de hierro y oxígeno son absolutamente dife-rentes a las de la herrumbre. Parece tratarse de un cambio químico. ¿Pero no escierto que las propiedades del agua líquida y del vapor de agua son también dife-rentes? Por ejemplo, una es un líquido y la otra un gas; la densidad de una esmás de mil veces mayor que la de la otra, lo mismo que su viscosidad; el vaporde agua sí reacciona con el carbón para dar gas de agua (mezcla de CO y H2),cuestión que no es posible lograr con el agua líquida. ¿Ambas son de verdadmuestras de la misma sustancia: agua?

3. El diamante se transforma lentamente en grafito, que es la forma alotrópica másestable del carbono. La transformación implica un rearreglo importante de lasposiciones de los átomos, así como la ruptura y la creación de múltiples enlaces,a pesar de que la energía neta necesaria es relativamente pequeña. ¿Se trata deun fenómeno químico? No cabe duda de que diamante y grafito son sustanciasdiferentes, y no sólo en su precio. Pero, ¿acaso no son similares las propiedadesquímicas de los dos alótropos? ¿No son la misma sustancia al estar formadosambos por átomos de carbono solamente?

4. Al variar las condiciones externas, por ejemplo, un cambio de temperatura o depresión, el vapor de agua se transforma en agua líquida. Se argumenta que estareversibilidad permite caracterizar al fenómeno como físico. No obstante, exis-ten reacciones químicas reversibles que transitan de los reactivos a los productosmediante cambios en las condiciones externas. Un ejemplo es la reacción dedimerización del NO2 para dar N2O4.

1 ¿Existen argumentos basados en la obser-vación para diferenciar a uno u otro fenómeno como físico o químico?

Figura 1.2Formación de herrumbre,un cambio químico.

Figura 1.3Agua líquida y hielo. ¿Setrata de la misma forma demateria?

1 El dióxido de nitrógeno puede obtenerse en una campana de gases al añadir ácido nítrico concentrado a unamoneda de cobre. Si dicho gas se colecta en una jeringa, puede observarse la reacción de dimerización por uncambio de coloración al aplicar presión o cambiar la temperatura.

Figura 1.1Colisión de dos bolas debillar. Un fenómeno físico.

CAPÍTULO

1

CAP Í TU LO 1 La ma t e r i a e n l a na t u r a l e za 17

5. Cuando en la carátula de un reloj digital se ennegrecen algunos segmentos debi-do al paso de la corriente eléctrica, mostrándonos la hora, 12:07 AM, ¿ocurre unareacción química? ¿Qué ha pasado en el cristal líquido de la carátula? ¿Se tratasolamente de un fenómeno de reacomodo físico de las moléculas que hace cam-biar su apariencia? ¿Se forman nuevas moléculas?

6. Normalmente, al calentar una sustancia líquida llega a ocurrir la vaporización dela misma, fenómeno que se caracteriza como un cambio físico. No obstante, alcalentar un huevo crudo, directamente o en un baño María, éste se convierte enun sólido (huevo cocido). ¿Se trata éste de un fenómeno físico también o de unfenómeno químico? Si escogiste la última alternativa, ¿qué reacción química haocurrido en este caso?

Parece existir una diferencia “sutil” entre los cambios físicos y los químicos. Cierta-mente, en ocasiones hay una barrera difusa entre ambos. La manera de diferenciarlosrequiere identificar una nueva forma de materia, producto de una reacción química. Sinembargo, dicha cuestión sólo puede dilucidarse mediante el estudio minucioso de la es-tructura microscópica de la materia, lo cual no es accesible por los métodos ordinarios deobservación. Así, hemos de resignarnos a perder la posibilidad de definir el concepto des-de un punto de vista puramente observacional, para introducirnos en las entrañas del leja-no microcosmos. Al adentrarnos en este libro en el estudio de la estructura atómica y mo-lecular quizás desarrollemos más elementos de juicio para distinguir con más certeza loscambios físicos de los químicos.

Por lo pronto, estas definiciones han sido útiles para avanzar en el estudio de los fe-nómenos naturales. El propósito al incorporarlas en este texto es establecer modelos ex-

tremos sobre el comportamiento de la materia. Los científi-cos son muy afectos a sentar dicotomías u oposiciones entredos conceptos (física-química, ácido-base, donadores-acepto-res, covalencia-ionicidad), cuestión que hay que tomar siem-pre con cautela.

No obstante, en ciencia resulta elemental no confundirlos modelos con la realidad. Quizá podamos encontrar casosreales de transformaciones de la materia que se adapten cer-canamente a la definición ya sea del modelo de cambio físicoo del químico, pero nada más. El hecho de que no exista unafrontera claramente definida entre ambos nos habla, afortu-nadamente, de la unidad del conocimiento científico.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES: LA MATERIA

Los protagonistas en la química son los elementos, sus compuestos y los sistemas que for-man; en una palabra, esta ciencia se encarga del estudio de la materia.2 Es por esto queuno de sus conceptos básicos es el de materia. Todas las transformaciones químicas tie-nen lugar en muestras ordinarias de materia. La forma en la que está estructurada es laque determina sus propiedades físicas y químicas, la manera en la que puede reaccionar y,en ocasiones, las posibilidades de su utilización.

INTRODUCCIÓN

Figura 1.4El oscurecimiento en unacarátula de un reloj digital¿es un fenómeno químico?

Figura 1.5Collage de muestras demateria de un laboratorioquímico.

2 Hay que aclarar que la química se ocupa de las propiedades de la llamada “materia ordinaria”, es decir, la quese encuentra a temperaturas, presiones y gravedad moderadas (ver la sección PROPIEDADES DE LAS SUS-TANCIAS, página 19). En las estrellas, por ejemplo, donde las temperaturas son de millones de grados y lafuerza de gravedad es inmensa, la materia no se presenta en su forma ordinaria (átomos, moléculas, etcétera).En esas condiciones su comportamiento no se da a través de transformaciones químicas.

Tabla 1.1

Características de las mezclas y de los compuestos.

Mezclas

Pueden separarse en sus componentesmediante cambios físicos

Su composición puede variar de maneracontinua al agregar uno de sus componentes

Sus propiedades están ciertamente relacionadas con las de sus componentes

Compuestos

No pueden separarse en sus componen-tes por cambios físicos

Su composición es constante la mayoríade las veces.

Sus propiedades no están relacionadascon las de los elementos que los constitu-yen químicamente


Sustancias y mezclas

La materia puede clasificarse por su constitución química en sustancias y mezclas. Entrelas primeras podemos identificar a los elementos y a los compuestos, según puedan des-componerse o no en sustancias más simples mediante métodos químicos, tema sobre elque profundizaremos en el capítulo 2.

Una sustancia es una muestra de materia que no puede ser separada en otras me-diante cambios físicos.

La composición química de una sustancia está suficientemente definida o es constan-te. Por ejemplo, cuando se descompone químicamente el agua siempre se obtienen ochogramos de oxígeno por cada gramo de hidrógeno, no importa la procedencia ni el estadofísico en que se encuentre el agua original. En el vidrio utilizado en las fibras ópticas, lacomposición también es constante, 44 gramos de silicio por cada 100 gramos de fibra.

Por su parte, una mezcla contiene dos o más sustancias. Cada sustancia de la mezclamantiene su identidad química. Una de las características de las mezclas es que las sus-tancias que las forman se pueden separar mediante cambios físicos (ver la sección “MÉ-TODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS” en la página 22). Contrario a lo que ocurrecon las sustancias, la composición de las mezclas puede cambiar continuamente. Porejemplo, alcohol y agua pueden mezclarse en cualquier proporción y pueden separarsegracias a una destilación (cambio físico).

En la tabla 1.1 se resumen las diferencias entre las mezclas y los compuestos puros.Dentro de las mezclas tenemos las homogéneas y las heterogéneas. En una mezcla

homogénea las propiedades son las mismas en cualquier porción de la mezcla. Un ejem-plo lo constituyen las disoluciones, como la que se forma cuando se disuelve azúcar enagua. En una mezcla heterogénea, los componentes individuales permanecen físicamen-te separados y, en ocasiones, se pueden ver como tales. Un ejemplo de ello es una ensala-da, donde la lechuga, el tomate y el pepino se pueden identificar claramente.

Otro ejemplo de una mezcla heterogénea, mucho más sutil, es el caso de cierto tipode aceros, en las que solamente mediante el microscopio puede observarse que están for-mados por dos sustancias diferentes: granos de hierro y partículas rugosas de grafito.

Las propiedades de los compuestos son distintas cuando éstos se encuentran puros ocuando forman una mezcla, debido a la presencia de impurezas. Prueba de ello está en elcolor de las gemas, como veremos más adelante, o en muestras de vidrio, con las que sepueden formar fibras ópticas cuando están en estado puro, o lentes con diversas propieda-des en función de la adición de impurezas especiales.

Figura 1.6Cuando una muestra deagua se somete a electróli-sis, se producen siempreocho gramos de oxígenopor cada gramo de hidró-geno. La relación de volú-menes de ambos gases essiempre 2:1.

Hidrógeno

ÁnodoCátodo

Batería

Oxígeno

Figura 1.7Dentro de un tomate pue-den distinguirse a simplevista por lo menos tres fa-ses, la de la pulpa, la de lapiel y la de las semillas. Setrata de una mezcla hetero-génea.

Figura 1.8Fotografía al microscopioelectrónico de una muestrade fundición de acero ma-leable. Pueden observarselos granos de hierro y lasporciones de grafito. Loque a simple vista pareceuna mezcla homogéneapuede resultar finalmenteuna mezcla heterogénea.

CAPÍTULO

1


PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS

Las propiedades de una sustancia son sus cualidades características. Son las que permi-ten afirmar, con base en la observación, si estamos frente a una sustancia determinada uotra.

Un atributo básico de la materia es el de poseer masa. Ésta es una de sus propiedadesmás fundamentales. Sobre la superficie de la Tierra, la presencia de masa en un cuerpo serefleja en la atracción del planeta sobre él, de acuerdo con la Ley de Gravitación. Así, dela masa deriva entonces el concepto de peso.

Las propiedades pueden clasificarse en extensivas e intensivas. Las primeras depen-den de la dimensión de la muestra (su masa o su volumen, por ejemplo) y las segundas nocambian en función del tamaño de la muestra (la densidad, entre muchas otras), es decir,son características de las sustancias y no de muestras particulares de ellas, por lo que lesdedicaremos más atención.

Propiedades físicas intensivas

Las propiedades físicas más evidentes son las que se detectan con los sentidos. Por ejem-plo, del aspecto visual de la sustancia surgen las siguientes:

• Estado de agregación (si es sólida, la forma de los cristales, etcétera)• Color

El resto de los sentidos agrega otras propiedades:

• Olor• Sabor• Rugosidad• Naturaleza quebradiza (estas dos últimas si la sustancia es sólida)

Las propiedades de este tipo no son afectadas sustancialmente por el tamaño de lamuestra, siempre que ésta sea de magnitud razonable, por lo que son intensivas. Existenotras propiedades no tan simples que se pueden apreciar también con los sentidos, como:

• La maleabilidad (viabilidad con la que una sustancia puede transformarse en lá-minas delgadas mediante martilleo).

INTRODUCCIÓN

A partir de tus conocimientos previos, indica si los si-guientes materiales corresponden a un elemento, uncompuesto puro o una mezcla:

a) Agua de marb) Un pedazo de oroc) Vapor de aguad) Maderae) Ácido acético

f) Hierrog) Gasolinah) Pintura de aceitei) Mercurioj) Airek) Aceite para cocinarl) Bicarbonato de sodiom) Magnetita

TE TOCA A TI:Sustancias y mezclas


• La ductilidad (facilidad para estirar un material enforma de hilo).

• La dureza (propiedad relativa a la capacidad de unasustancia de rayar otras).

Muchas otras propiedades pueden medirse con precisión yexpresarse numéricamente. Incluimos a continuación algunasde ellas y te dejamos investigar algunas otras más. En relacióncon las unidades en las que se expresan los valores de estaspropiedades, revisa la sección “HERRAMIENTA: Sistema In-ternacional de Unidades”.

En este libro se utiliza el Sistema Internacional de Uni-dades. Todos los detalles necesarios del mismo se en-cuentran en el Apéndice 1.

En la descripción de las propiedades físicas se hanutilizado para el volumen dos unidades diferentes: ellitro (para el que usaremos el símbolo L) y el centíme-tro cúbico (cm3). El litro no es una unidad recomenda-

da por el Sistema Internacional de Unidades, pero eneste libro la utilizaremos como equivalente al decíme-tro cúbico (dm3). Recuerda que:

1 L � 1 dm3

1 dm3 � 1000 cm3

1 mL � 1 cm3

HERRAMIENTA:3

Sistema Internacional de Unidades

3 Las “HERRAMIENTAS” abordan el desarrollo de habilidades matemáticas, de nomenclatura, de lógica o demanejo de unidades, que no tienen que ver directamente con el contenido en cuestión, pero que son indispen-sables para la resolución de problemas.

Solubilidad

La masa máxima de sustancia sólida que se disuelve en 100 g de disolvente, a cierta tem-peratura.

Ejemplo: La solubilidad del cloruro de sodio en agua, a 25ºC es de 39.12 g.

Densidad

La masa de sustancia contenida en la unidad de volumen.

Ejemplo: La densidad del cloruro de sodio es de �� 2.163 g/cm3 o 2.163 g/mL.

Punto de fusión

Temperatura a la que la sustancia líquida solidifica.

Ejemplo: A 101.325 kPa de presión, el agua funde a Tf � 0ºC.

Punto de ebullición normal

Temperatura a la que la sustancia líquida hierve, a presión normal de 1 atmósfera, o sea a101.325 kPa.Ejemplo: A 101.325 kPa de presión, el agua hierve a Tb � 100ºC.

Figura 1.10Aparato Fisher para deter-minar los puntos de fusiónde los sólidos.

a) b)

Figura 1.9Los metales son dúctiles y maleables. a) Metal en placa y filamento, la sustan-cia más dura es el diamante, pues raya al resto. b) Diamante rayando vidrio.

CAPÍTULO

1


Capacidad calorífica específica

Cantidad de energía que hace elevar la temperatura de un gramo de sustancia en un gradocentígrado. Siempre que se usa el término “específico” en el SI nos referimos a un gramode sustancia.

Ejemplo: A 4ºC, la capacidad calorífica específica del agua líquida es Cp � 4.184 J/(g ºC).

Viscosidad

En dos capas de un fluido, una de las cuales se mueve y la otra no, la viscosidad (o, for-malmente, el coeficiente de viscosidad cinemática) se refiere a la resistencia que opone lacapa en reposo a la que está en movimiento. El coeficiente de viscosidad cinemática es lafuerza (en Newtons), por unidad de área (metros cuadrados), requerida para mantener unadiferencia unitaria en la velocidad de las dos capas (un metro sobre segundo).

Ejemplo: La viscosidad para el N2 gaseoso a 0 ºC es � � 1.781 � 10�5 kg/(m s).

INTRODUCCIÓN

El aceite y el agua son dos sustancias que no se mez-clan. ¿Cuál de ellas es más densa? ¿Cuál es más vis-cosa?

Para determinar cual es más densa, recuerda que alponerlas juntas, la más densa quedará en la parte infe-rior del recipiente, mientras que la menos densa queda-rá en la parte superior.

Para conocer cuál es más viscosa basta con po-nértela entre dos dedos y frotarlos uno contra el otro.Aquella que presente más resistencia será más viscosa.Otra manera es medir el tiempo de caída de un balín enuna columna con una altura dada de líquido. Las sus-tancias más viscosas tienen tiempos de caída mayores.

Averigua ¿por qué se utiliza el aceite como lubri-cante en los motores de los coches y no se utiliza elagua? ¿Qué es un aceite multigrado?

TE TOCA A TI:Denso y viscoso

Figura 1.11Viscosímetro de bolarodante.

Propiedades químicas intensivasLas propiedades químicas de las sustancias son las que se refieren a su comportamientoen las reacciones químicas.

Este tema se aborda con más profundidad en el capítulo 5. Basta por ahora dar algu-nos ejemplos simples:

• Los metales alcalinos tienen la propiedad de reaccionar violentamente con elagua produciendo hidróxidos.

• Los halogenuros de los metales alcalinos fundidos se descomponen por electró-lisis.

• Los metales se combinan con el oxígeno para producir óxidos.• Los hidrocarburos se queman en presencia de aire y producen dióxido de carbo-

no y agua.


MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS

En la naturaleza, la gran mayoría de las sustancias se encuentran formando mezclas demuy diversos tipos. En multitud de casos hacemos uso de las sustancias que forman partede una mezcla. Por ejemplo:

• Tomamos el principio activo de una medicina, que está mezclado con otros com-ponentes y con el excipiente.

• En el hogar usamos limpiadores cuyos antisépticos están mezclados con deter-gentes y con agua, como vehículo.

No obstante, en muchas ocasiones es necesario, o sencillamente deseable, obtenerpor separado las sustancias componentes de una mezcla, o conocer la composición de di-cha mezcla. A eso se dedica el análisis químico.

Los componentes de una mezcla pueden concentrarse o separarse de la misma me-diante procesos de separación.

Busca una definición de las siguientes propiedades yun ejemplo de su valor para una sustancia determinadaa ciertas condiciones, dado en unidades del SI:

1. Tensión superficial2. Momento dipolar3. Coeficiente de conductividad térmica4. Compresibilidad isotérmica

TE TOCA A TI:Busca otras propiedades

Un método es el que se lleva a cabo cuando se trata una mezcla para obtener yasea cada uno de sus componentes, o mezclas más sencillas de algunos de éstos.

Filtración

Es el más sencillo de los métodos de separación. Se utiliza siempre que se desea separarun sólido de un líquido. A lo que en un laboratorio de química se llama filtrar, en la coci-na se denomina colar; si en la cocina usamos un colador o un cedazo, en el laboratoriousamos un embudo con papel filtro.

Destilación

Consiste en llevar una mezcla líquida a ebullición en un matraz de destilación. La mezclapuede estar compuesta únicamente por líquidos miscibles (que se disuelven por completouno en otro) o puede contener también algún sólido disuelto. Cada uno de los líquidos enla mezcla conserva su tendencia a evaporarse y hierve al alcanzar la cercanía de su tem-peratura de ebullición. El vapor que se desprende al inicio está compuesto principalmentepor el líquido con menor temperatura de ebullición (L1). Este vapor se hace pasar por unrefrigerante o condensador, y se colecta en un recipiente (ver figura 1.13). Mientras latemperatura se mantiene más o menos constante, el vapor está compuesto casi exclusiva-mente por L1. Al haberse evaporado todo L1, la temperatura se eleva, hasta alcanzar la

Figura 1.12Embudo con papel filtro.

CAPÍTULO

1


temperatura de ebullición del siguiente líquido, L2, que podrá recolectarse en otro reci-piente, y así sucesivamente. Los sólidos que hubiera en la mezcla, permanecerán en elmatraz.

INTRODUCCIÓN

Los principales componentes que se encuentran en es-tas bebidas son el alcohol y el agua. Estos dos líquidostienen diferentes puntos de ebullición: a nivel del marel del alcohol (etanol) es 78.5ºC y el del agua, 100ºC.Esto permite utilizar el método de destilación para se-parar el alcohol en cada una de las mezclas de una ma-nera bastante sencilla, ya que éste hierve antes que elagua. Para realizar una destilación, se necesita un equi-po semejante al mostrado en la figura 1.13.

Material• Cerveza, brandy, ron• Matraz de bola con “t” de destilación• Termómetro de vidrio• Refrigerante con mangueras• 2 soportes universales• 2 pinzas de tres dedos con nuez• Mechero• 1 anillo de hierro • Tela de alambre con asbesto• Probeta recolectora

ProcedimientoElige una bebida y coloca 30 mL en el matraz de bola.Inicia la destilación.

Vigila la temperatura del vapor generado, y asegú-rate de que colectas únicamente el líquido que ebulle a78.5ºC (menor si no estás al nivel del mar).

Para cada una de las bebidas, mide en una probetael volumen de etanol obtenido en la destilación y calcu-la el porcentaje en volumen de alcohol contenido encada una de ellas.

Guarda el etanol para un uso futuro.

DESCÚBRELO TÚ:4

Contenido alcohólico en algunas bebidas

¿Qué porcentaje de alcohol se encuentra presenteen las bebidas alcohólicas?

Con esta información, realiza los cálculos necesa-rios para responder la pregunta inicial.

Figura 1.13Equipo de destilación del laboratorio químico.

Termómetro

Entra aguade enfriamiento

Sale aguade enfriamiento

Líquido purodestilado

Matraz de destilacióncon líquido impuro

Condensador(enfría el vaporpara licuarlo)

4 La sección “DESCÚBRELO TÚ” es una invitación a realizar trabajo experimental mediante la propuesta deuna pregunta iniciadora a la cual hay que responder. La respuesta no se incluye, para que sea producto de laindagación práctica. En ocasiones, los materiales o procedimientos podrán ser modificados por ti, con la ayu-da de tu profesor, en caso de no disponer exactamente de los que se mencionan aquí.

Cristalización

Este proceso se utiliza principalmente cuando se desea separar un sólido disuelto (soluto)en un disolvente. La solubilidad de un soluto en un disolvente tiene generalmente un lí-mite, que se mide en unidades de masa de soluto por unidades de masa o volumen de di-solvente a una temperatura dada. A este límite se le conoce como saturación y decimosque una disolución está saturada, si no acepta la solubilización de más soluto. Así porejemplo, se sabe que la solubilidad del cloruro de sodio (NaCl) es de 39.12 g en 100 g de


agua, a 25ºC. Si el volumen de disolvente disminuye mientras la temperatura se mantieneconstante, el soluto tenderá a cristalizar. Como generalmente la solubilidad de un solutoaumenta con la temperatura, una disminución en ella también favorece la cristalizacióndel soluto.

Es posible que si se tienen dos o más solutos presentes en una disolución, al evaporarparcialmente el disolvente cristalice sólo uno de ellos, el menos soluble. Éste puede sepa-rarse por filtración, para luego seguir evaporando el disolvente hasta la cristalización deun segundo soluto, y así sucesivamente. A este proceso repetitivo, en el que logran sepa-rarse entre sí solutos de una disolución gracias a sus distintas solubilidades, se le llamacristalización fraccionada. Figura 1.14

Efecto luminoso producidocon cristales

Tu sabes, por experiencia, que ambas sustancias sonbastante solubles en agua, pero para conocer la res-puesta a la pregunta, te sugerimos llevar a cabo el si-guiente experimento, que puede realizarse aun en lacocina de tu casa.

Material• Azúcar• Sal• Taza medidora• Pocillo para calentar• Estufa• Filtros para café• Vaso de vidrio• Refrigerador

ProcedimientoDisuelve 1/4 de taza de azúcar y 1/4 de taza de sal en unataza de agua. Calienta y agita hasta que logres la diso-

lución total de ambas. (Si observas que queda una muypequeña cantidad de cristales sin disolverse, o algunaimpureza, pasa la mezcla a través de un papel filtro pa-ra café).

Coloca ahora esta disolución en un vaso de vidrio(ten precaución para que el calor no rompa el vidrio) ycúbrela, para mantenerla libre de polvo. Déjala en reposovarios días en el refrigerador, durante los cuales podrásir observando la aparición paulatina de cristales.

Al cabo de unos días, cuando ya no se aprecie elaumento en la cantidad de cristales formados, separalos cristales filtrando la mezcla con un filtro para café.En este caso, y sólo en este caso en el que las sustan-cias problema son conocidas e inofensivas, utiliza al-guno de tus sentidos para identificar la naturaleza delos cristales.

DESCÚBRELO TÚ:Cristalización fraccionada

¿Cuál es más soluble en agua, el azúcar o la sal?

¿Puedes ahora contestar la pregunta? ¿Requieresexperimentar más?

Extracción

El agua no es miscible en algunos líquidos, como el aceite, o en algunos disolventes orgá-nicos, como el cloroformo. Siempre a estos líquidos sean agitados con intención de mez-clarlos, éstos vuelven a separarse en dos fases al quedar en reposo. Este fenómeno, unidoa la mayor o menor solubilidad en agua de cierto tipo de solutos comparada con su solu-bilidad en otros disolventes orgánicos no miscibles en agua, constituye la base de un mé-todo de separación conocido como extracción.

Supongamos que tenemos una disolución acuosa en la que se hallan disueltos dos so-lutos, uno de los cuales, S1, es soluble en cloroformo (o algún otro disolvente no miscibleen agua) y el otro, S2, no. Al añadir cloroformo sobre esta disolución acuosa y agitar, S2

permanecerá en el agua, mientras que S1 será extraído, al menos parcialmente, por el clo-roformo. Este procedimiento hace a cabo en un embudo de separación, como el que semuestra en la figura 1.15. Qué tanto S2 permanecerá en el agua y qué tanto pasará al clo-

Figura 1.15Embudo de separación.

CAPÍTULO

1


roformo, dependerá de la particular afinidad que tenga S2 por cada uno de estos dos di-solventes. Por lo general, es necesario repetir el proceso varias veces, separando las dosfases y añadiendo de nuevo cloroformo puro a la disolución acuosa.

INTRODUCCIÓNColaboración de Rosa María González Muradas.

La cafeína es una sustancia orgánica cuya fórmulacondensada es: C8H10N4O2 y cuya fórmula desarrolladaes la de la figura 1.16.

Esta sustancia essoluble en agua. Sinembargo tiene más afi-nidad por algunos di-solventes orgánicos,como el cloroformo,CHCl3, que a su vez escasi inmiscible enagua. Se sabe tambiénque forma cristales enforma de aguja y quetiene un punto de fu-sión de 238ºC.

Es posible enton-ces, mediante una ex-tracción, separar la cafeína de una disolución acuosa,como puede ser una Coca-Cola o un café, utilizandocloroformo. Al evaporar el disolvente se obtendrá unsólido que podrás identificar por su forma cristalina ypunto de fusión.

Material• Embudo de separación• Cloroformo• Coca-cola y/o café preparado• Cápsula de porcelana• Parrilla de calentamiento• Campana de extracción

ProcedimientoColoca 50 mL de Coca-Cola en un embudo de separa-ción y agrega 50 mL de cloroformo. Agita 10 veces,abriendo la llave del embudo después de cada agita-ción (para liberar la presión generada por la agitación).Deja reposar hasta que haya una buena separación delas dos fases. Vacía en una cápsula de porcelana el clo-roformo que contiene la cafeína extraída.

Destila el cloroformo de la disolución al baño Ma-ría (guarda el destilado para hacer otro experimento)hasta que el sólido disuelto quede seco en el matraz.En todo caso, evapora a sequedad sobre una parrilla,dentro de una campana de extracción (los vapores decloroformo son tóxicos).

Puedes realizar el experimento con café preparado ycomparar los sólidos extraídos en ambos casos.

DESCÚBRELO TÚ:Cafeína en una bebida de cola

¿Hay cafeína en la Coca-Cola®?

Identifica el residuo sólido obtenido. ¿Cómo podríassaber que es cafeína?

Figura 1.16Fórmula desarrollada de lacafeína.

CH3

O

CH3

CH3O

N

NN

N

Cafeína C8H10N4O2

Cromatografía

Esta es una de las técnicas de separación que más ha evolucionado con la tecnología mo-derna. Los principios de la cromatografía se emplean para separar sólidos de sólidos (endisolución), líquidos de líquidos y gases de gases. La idea fundamental de la cromatogra-fía es que los componentes de la mezcla que se desean separar se distribuyen entre dos fa-ses, una de las cuales es fija o estacionaria y la otra, la fase móvil, se desplaza a través dela primera. A este paso de la fase móvil a través de la estacionaria se le conoce como pro-ceso de elución.

La raíz chromos (color) en la palabra cromatografía tiene razones puramente históri-cas. Parece sugerir que el color es lo que distingue a los componentes de la mezcla, y loque los hace separables, pero el color no tiene nada que ver en ello.

La primera descripción detallada de una cromatografía se atribuye a Michael Tswett,un bioquímico ruso, quien aisló la clorofila de una mezcla de pigmentos vegetales, en


1906. Colocó una pequeña muestra en la parte superiorde una columna empacada con polvo de carbonato decalcio y enseguida eluyó la muestra con éter de petróleo(ver figura 1.17). A medida que la muestra iba descen-diendo por la columna, se iba separando en distintasbandas que se desplazaban a velocidades diferentes. Lasbandas tenían diversos colores, debido a la naturaleza delos pigmentos de la mezcla, de ahí el nombre dado alproceso, aun cuando los colores eran accidentales y na-da tenían que ver con el principio del método.

Figura 1.17Columna cromatográfica. Segúneluye la mezcla, se colocan variosrecipientes para recibir a sus dife-rentes componentes.

Colaboración de Rosa María González Muradas

Los colorantes utilizados en los alimentos están forma-dos por moléculas orgánicas bastante complejas. Lasdiferencias en los colores de distintas sustancias soncausadas por diferencias en la estructura molecular,que también hacen ligeramente distinta su solubilidad.Estas diferencias son las que nos permiten aplicar elmétodo de la cromatografía en columna para separaruna mezcla de este tipo de sustancias. Realizarás la se-paración en una microcolumna.

Material• Polvo de gelatina de color fuerte (uva, frambue-

sa, etc.)• Pipeta Pasteur• Algodón• Sílica-gel (para cromatografía en columna)• Alcohol etílico• Cloruro de sodio

ProcedimientoColoca una pequeña torunda de algodón en el fondo deuna pipeta Pasteur (cuida que no penetre en el capilar).Rellena con sílica-gel hasta el tercio superior de la pi-peta e introduce otra torunda de algodón.

Disuelve un poco de polvo de gelatina de sabor enuna mezcla alcohol-agua en iguales proporciones devolumen y agita para disolver.

Agrega dos gotas de la disolución anterior dentrode la microcolumna.

Agrega 5 mL de disolución de cloruro de sodioal 1%.

DESCÚBRELO TÚ:Colorantes en la gelatina

¿Cuántos colorantes puedes identificar en un polvopara preparar gelatina?

¿Cuántos colorantes diferentes logras identificar?

Figura 1.18Microcolumnas de esteexperimento.

1. Consulta en libros de química otro tipo de proce-sos de separación diferentes a los enunciados. Acontinuación te damos algunas ideas:

• Centrifugación• Separación isotópica • Destilación por arrastre de vapor

• Electroforesis• Precipitación electrostática

2. Investiga de qué forma se realizan en la industrialas operaciones de filtrado, destilación y extrac-ción. Cita ejemplos de aplicación en algún procesoindustrial específico.

TE TOCA A TI:Otros procesos de separación

CAPÍTULO

1


INTRODUCCIÓN

5 La sección “DEL PASADO” recoge un pasaje histórico sobre un tema o un personaje crucial en el desarrollode la ciencia. La idea es que te percates de que la actividad científica es desarrollada por seres de carne y hue-so, quizás un poco más incisivos y con más conocimientos y suerte que el resto de los mortales.

Hay varios metales “nativos”, como el oro, la plata o elplatino, que existen en la naturaleza en forma elemen-tal, es decir, como elementos más o menos puros.Otros metales se encuentran naturalmente en forma deminerales. En los minerales, los metales están combi-nados con otros elementos y forman compuestos. Delos minerales se puede extraer el metal, pero para ellohay que hacer una serie de transformaciones químicasque dependen del mineral en cuestión.

La metalurgia es el estudio del comportamiento fí-sico y químico de los elementos metálicos y sus mez-clas (aleaciones). La metalurgia extractiva es el con-junto de disciplinas que se utilizan para extraer metalesde sus yacimientos. También incluye su transformaciónposterior para que puedan ser utilizados con diferentespropósitos.

Hace quizá 6000 años comenzó la extracción delcobre, el primer metal obtenido en minas. Desde en-tonces, la obtención de los metales se convirtió en algoindispensable para la evolución de las distintas civili-zaciones y se dejó atrás la Edad de Piedra. Durante si-glos, la metalurgia fue un saber empírico relacionado,en muchos de sus aspectos, con rituales, magia y sobretodo con la alquimia, en Occidente. Desde la antigüe-dad más remota la metalurgia ha sido una de las activi-dades a la que el hombre ha dedicado grandes esfuer-zos.

Los metales extraídos han tenido siempre distintasutilidades. Para los incas, el oro era una representa-ción del Sol, su principal divinidad. El cobre, el bronce—aleación de cobre y estaño— y el hierro por ejem-

plo, se empleaban principal-mente en la construcción deutensilios de defensa y caza,mientras que el oro y la platapara hacer adornos y joyas.

La metalurgia avanzónotablemente en AméricaLatina durante el período co-lonial. Uno de los propósitosde la metrópoli fue la extrac-ción de metales preciosos,por lo que propició el cono-cimiento sobre estos temas y

el asentamiento aquí del liderazgo mundial en diversasramas de la mineralogía. En la Nueva España, graciasal ingenio de Bartolomé de Medina, se ideó el procesode amalgamación en frío de la plata con mercurio, en1555, el cual fue vuelto a descubrir en Austria por elbarón De Born dos siglos más tarde. Muy diversosadelantos minero-metalúrgicos se dieron asimismo enel Reino del Perú. En 1792 se instaló en la Nueva Es-paña el Real Cuerpo de Minería, dirigido por Fausto deElhúyar. Quizás don Fausto haya sido el primer profe-sor de química en Hispanoamérica.

Las piedras preciosas que coronan las piezas deoro y plata son las gemas, minerales de gran belleza,durabilidad y rareza. Su especial atractivo ha fascinadoa todas las sociedades de todas las épocas, como lo hahecho el brillo y el color del oro. Los pueblos primiti-vos les asociaron capacidades maravillosas, desde cu-rativas hasta mágicas.

El uso de las piedras preciosas en joyería comenzóen las antiguas civilizaciones orientales. El ImperioRomano, relacionado comercial y bélicamente con elmundo oriental, se contagió de este gusto por las joyasy adoptó exageradamente su uso. El contacto de losreinos europeos con el mundo oriental durante LasCruzadas, llevó a Europa multitud de gemas descono-cidas hasta entonces. En América, el caudal de piezasdel Museo del Oro, en Colombia o Perú, o el tesoro deMonte Albán o de Palenque, en México, son muestradel uso de las piedras preciosas y el oro en utensiliosde adorno y rituales.

Las gemas tienen características particulares quelas distinguen. Comparemos el zafiro, de color azul,con el rubí, de brillante color rojo. La composiciónquímica de ambos es el corundum: Al2O3 (óxido dealuminio). No se trataahora de un elemento,sino de un compuestoformado por la combi-nación química de doselementos. Cuando estápuro, este compuestoes incoloro ¿por quéentonces una de laspiedras preciosas men-

DEL PASADO:5

Metales, elementos; gemas, mezclas

Figura 1.19Figurilla de oro del Mu-seo del Oro del Bancode la República, en Bo-gotá, Colombia.

Figura 1.20Cristal de roca.


cionadas es roja y la otra es azul? La diferencia se debea impurezas de otros átomos metálicos. En el rubí, al-gunos iones aluminio, Al3+, han sido reemplazados porcromo, Cr3+ (ion que se denomina “cromóforo”, por-

que es el responsable del color), mientras que en el za-firo la impurezas son de titanio y hierro. Igualmente, elaguamarina y el jade toman su color por un mecanismosimilar, pero el metal que provoca la impureza es elhierro, en la turquesa y la malaquita es el cobre. Todasestas gemas son sustancias impuras. La impureza es loque les da la belleza, por lo que, en estos casos no re-sulta importante separar la mezcla que forma las gemaspara obtener sustancias puras.

En la tabla 1.2 se presenta una serie de gemas, sufórmula química, su color y el cromóforo responsablede éste.

Tabla 1.2

Algunas gemas.

Gema Fórmula Color Cromóforo

Granate (Mg, Fe[III])2Al2(SiO4)3 Rojo Fe2+

Amatista SiO2 Violeta Fe3+ /Fe4+ (IV)Aguamarina Be3Al2Si6O18 Azul Fe2+/Fe3+

Diamante C Claro NingunoEsmeralda Be3Al2Si6O18 Verde Cr3+

Alejandrina Al2BeO4 Rojo/verde Cr3+

Rubí Al2O3 Rojo Cr3+

Crisolita (Mg, Fe[II])2SiO4 Amarillo/naranja Fe2+

Zafiro Al2O3 Azul Fe2+/Ti4+ (IV)Ópalo SiO2•H2O Opalescente NingunoTopacio Al2SiO4(OH, F) Incoloro NingunoTurquesa CuAl6(PO4)4(OH)8•4H2O Azul Cu2+

Figura 1.21La esmeralda. Se trata delmineral llamado “berilo” (un aluminosilicato de berilio: 3BeO�Al2O3�6SiO2)en el que una pequeñísimafracción del aluminio estásustituida por cromo.

6 Este libro utilizará frecuentemente la sección “Ciencia–Tecnología–Sociedad” (CTS). Su pretensión es mos-trar la utilidad de los aspectos científicos y tecnológicos para el desarrollo social. Su contenido variará, paraincluir temas de la química y la tecnología en el hogar, la industria, el cuidado ambiental, la salud y los nue-vos materiales, entre otros.

El petróleo es una mezcla en la que coexisten las fasessólida, líquida y gaseosa. La mayor parte de sus com-ponentes son hidrocarburos (nombre que se da a loscompuestos que solamente presentan carbono e hidró-geno), aunque contiene también compuestos con otroselementos adicionales, como nitrógeno, azufre, oxíge-no o metales. A través de procesos de transformaciónindustrial se obtienen de él productos de alto valor, co-mo combustibles, lubricantes, ceras, disolventes y deri-vados petroquímicos.

El proceso de formación del petróleo

El petróleo es el producto de descomposición de la ma-teria orgánica proveniente de plantas y animales, acu-mulada en cuencas marinas y lacustres, y sometida aprocesos geoquímicos durante cientos de millones deaños. La sedimentación y el enterramiento propiciaronpoco a poco la formación de un ambiente rocoso. Enlos poros microscópicos de esta roca sedimentaria, la

CTS6 Industrial:Destilación del petróleo

CTS

CAPÍTULO

1


INTRODUCCIÓN

descomposición formó hi-drocarburos gaseosos y ellopropició una gran elevaciónde la presión.Las formaciones geológicasen las que existe petróleoson entrampamientos (verfigura 1.22) con los siguien-tes dos elementos:a) Una roca almacenadora,

con petróleo dentro desus poros. En la parte su-perior se encuentra elgas natural (petróleogaseoso) y debajo el lla-mado petróleo crudo(petróleo líquido).

b) Una fractura geológica,un domo salino o una ro-ca impermeable a su al-rededor, que evita que elpetróleo fluya hacia lasuperficie o hacia los la-dos.

Basta hacer una perforación (pozo, ver figura1.23) para que la alta presión del entrampamiento lleveal petróleo crudo y al gas natural hacia la superficie.Por supuesto, la profundidad y la naturaleza geológicade las capas que haya que perforar hace más o menoscostosa y factible la construcción del pozo.

Llega un momento en que el petróleo empieza adejar de fluir hacia la superficie, lo cual no quiere decirque el pozo se haya agotado, ya que la roca sigue em-papada del fluido, sino que la presión ha disminuido.Lo que procede entonces es iniciar la recuperaciónsecundaria del crudo, que consiste de la inyección pro-funda de agua (la densidad del petróleo es menor yflota en aquélla), o bien la recuperación mejorada, me-diante la inyección de vapor, gases, surfactantes, polí-meros, entre otros procesos que están actualmente a

prueba.Finalmente, el pozo se

agota, tarde o temprano. Seestima que las reservas mun-diales de petróleo durarántodavía unas cuantas déca-das, de tal forma que antesde concluir el siglo XXI segu-ramente la humanidad tendráque enfrentarse a un mundosin este recurso.

Importancia económica del petróleo

El petróleo es la fuente más importante de la energíamundial. En 1995 se produjeron 3.81 � 1017 J de ener-gía en todo el mundo, de los cuales 1.5 � 1017 J proce-dieron del petróleo crudo (39.2%) y 0.82 � 1017 J delgas natural (21.5%), es decir, 60.7% de la energía mun-dial proviene actualmente del petróleo.

Es notablemente diferente la distribución de paísescon mayor producción y con mayor consumo del pe-tróleo (ver tabla 1.3). Este punto de la comercializa-ción del crudo adquiere entonces una importancia es-tratégica capital para las relaciones entre el primero yel tercer mundos.

Figura 1.22Esquema de un entram-pamiento de petróleo.En cada pozo es dife-rente la proporción degas natural y de petró-leo crudo.

Figura 1.23Pozo de petróleo enVenezuela.

Tabla 1.3

Los 12 primeros países productores de petróleo crudoen el mundo en 2003. Los datos son en millones de ba-rriles diarios (MMBPD). Un barril de petróleo son 159 L.

País Producción diaria promedio2003 (MMBPD)

Antigua Unión Soviética 10.31Arabia Saudita 8.48Estados Unidos 7.88México 3.79Irán 3.78China 3.41Noruega 3.26Canadá 3.00Reino Unido 2.29Emiratos Árabes Unidos 2.29Nigeria 2.15Venezuela 2.01Resto del mundo 26.56TOTAL 79.210

En 2003, América Latina contribuyó a la produc-ción mundial con 9.17 millones de barriles diarios, quecorrespondió a 12.3% del total. Entre los países de laregión destacan México (3.79 MMBPD), Venezuela(2.01) y Brasil (1.77). En un segundo plano están Ar-gentina (0.78), Colombia (0.55) y Ecuador (0.43).

Destilación del gas natural

La figura 1.24 presenta las temperaturas de fusión yebullición de los hidrocarburos gaseosos y líquidos deuno a 16 átomos de carbono. Podemos ver que el másligero, llamado metano, permanece como líquido sólo

Pozo

agua salina

Gas natural

Roca porosa

Perforación

Rocaimpermeable

Pizarra

Petróleo

Pozo


en un pequeño intervalo de 20º, entre �182ºC, que es sutemperatura de fusión, y �162ºC, la de ebullición. Entretanto, el hidrocarburo de 16 átomos de carbono es unlíquido entre 18ºC y 287ºC. Es precisamente la diferen-cia en las temperaturas de ebullición la que puedeaprovecharse para separarlos mediante destilación.

La instalación industrial que aprovecha las dife-rentes temperaturas de ebullición de los hidrocarburosmás ligeros (de uno a cuatro átomos de carbono) parasepararlos se llama planta criogénica. Lleva ese nom-bre debido a las bajas temperaturas necesarias paramantener líquido al gas natural y proceder a su destila-ción.

En efecto, el gas natural que sale del pozo petrole-ro se condensa mediante refrigeración y se alimentacomo líquido a la serie de torres de destilación indus-trial del proceso criogénico. En cada una de las torres(ver figura 1.25) se alimenta calor al líquido de los fon-dos de la torre en un rehervidor, lo que lo convierte envapor que sube debido a su baja densidad. A la vez, enel condensador se elimina calor del vapor del domo dela torre, lo que lo licua y lo hace descender al reinyec-tarlo a la torre.

De esta manera, a lo largo de la torre existe un lí-quido descendente y un vapor ascendente que se ponenen contacto íntimo en sus “platos”. La muestra el deta-lle de un plato, en que el vapor penetra por debajo yburbujea en el líquido que desciende del plato superior,

mantenido allí por la altura de un vertedero. En un pla-to, el vapor que sale hacia arriba es más rico en loscomponentes más volátiles de la mezcla, mientras queel líquido que desciende al plato inferior está enrique-cido en los componentes pesados. Ésta es la razón deque la temperatura en cada plato de la torre sea ligera-mente diferente a la del anterior: los platos más altostienen una temperatura menor que los más bajos. Laacción del conjunto de platos, que pueden ser de unospocos a una centena, es concentrar en los domos elcomponente más volátil, en este caso el metano.

El resultado final obtenido en la torre desmetani-zadora es un condensado en lo alto del domo constitui-do casi únicamente por metano y un líquido del fondoque es una mezcla del resto de los hidrocarburos. Éstaalimenta entonces a la segunda torre (ver figura 1.26)que separará el segundo hidrocarburo y así, sucesiva-mente cada uno de los componentes esenciales del gasnatural.

Más adelante en este libro quedará claro cómo es-tas sustancias gaseosas son el cimiento de la industriapetroquímica actual.

Criogenia: la producción de bajas temperaturas oel estudio de los fenómenos a baja temperatura.

Figura 1.25Torre desmetanizado-ra. El gas natural sealimenta como líqui-do a la mitad de latorre. El vapor del do-mo es licuado en uncondensador y vueltoa alimentar. El líquidodel fondo se evaporaen un rehervidor. Enla parte superior iz-quierda se observa eldetalle del paso de lí-quido y vapor en unplato de la torre des-metanizadora.

Gaslíquido

Salida lateral(hidrocarburoslireros)

Gasnatural

Sección que muestrados platos de la torre,el líquido que desiendey el gas que asiende

Salida lateral(hidrocarburospesados)

Gaslíquido Rehervidor

Figura 1.26Planta criogénica.

Figura 1.24Intervalo de temperaturas a las que los hidrocarburos satura-dos permanecen en estado líquido, a presión atmosféricanormal. La curva inferior corresponde a la temperatura de fu-sión y la de ebullición está en la superior.

CAPÍTULO

1


INTRODUCCIÓN

PROBLEMAS Y ACTIVIDADES

1. Indica si los siguientes procesos te parecen cambios físicos o cambios químicos, es decir, su-giere si se forma en ellos, o no, una nueva sustancia y si desaparecen las sustancias originales.Discute con tus compañeros y con tu profesor. Por cierto, no te preocupes si aparecen discre-pancias graves al respecto.a) Deformación de un plástico moldeable.b) Ennegrecimiento de un cristal líquido por el paso de la corriente.c) Mantequilla que se enrancia.d) Incandescencia del alambre de tungsteno de un foco.e) Hidratación de una sal anhidra.f) Imanación de un pedazo de hierro por el contacto con un imán.g) Calentamiento del agua para bañarse.h) Horneado de un pastel.i) Corrosión de la varilla en un edificio.j) Preparación de un té.k) Cocción de un huevo.l) Luxación de un hueso.m) Floración de una planta.n) Combustión del alcohol.o) Un golpe de raqueta sobre una pelota.p) Refinación de la gasolina.q) Secado de una pintura aplicada sobre la pared.r) Verter agua de una jarra sobre un vaso.s) Combustión de una vela.t) Engrapado de una hoja de papel.u) Quitar una mancha con un líquido orgánico.v) Sufrir una quemadura de la piel al asolearse.

2. Clasifica las siguientes propiedades como físicas o químicas:a) Inflamabilidadb) Densidadc) Volatilidadd) Tendencia a la corrosióne) Temperatura de rocíof) Tendencia a la oxidación

3. Clasifica las siguientes como sustancias puras o como mezclas:a) Tinta de tu plumab) Café en una tazac) Cubo de azúcard) Pedazo de cale) Yesof) Latóng) Anillo de platah) Bolsa de polietilenoi) Bolsa llena de detergente comercial

4. Indica si las siguientes propiedades son intensivas o extensivas:a) El color azul del sulfato de cobre hidratado sólidob) La masa de un pedazo de aceroc) El importe de la gasolina cuando llevas un auto a la gasolinerad) La temperatura de fusión del tungsteno de los focose) El color amarillo de la luz de sodiof) El volumen que ocupa un gramo de cierta margarinag) La energía química almacenada en un gramo de cierto petróleoh) El volumen de hielo en diferentes muestras

5. El Journal of Chemical Education es la revista más prestigiada en educación de la química.Consulta alguno de los siguientes artículos para realizar un experimento de cromatografía, sea


en columna o en papel, con la ayuda de tu profesor (los artículos están ordenados del más re-ciente al más antiguo y al final de cada uno se incluyen tres números, que corresponden alaño de aparición, volumen de la revista y página inicial):a) Anwar, Jamil; Nagra, Saeed Ahmad; Nagi, Mehnaz “Thin-Layer Chromatography: Four

Simple Activities for Undergraduate Students”. 1996 73 977. b) Rowe, H. Alan. “An Inexpensive Gel-filtration Chromatography Experiment: A simple

biochemical laboratory exercise for high school and undergraduate students who maketheir own column and apply simple detection techniques”. 1993 70 415

c) Reynolds, Ronald C.; O’Dell, C. Allen. “A thin-layer and column chromatography experi-ment adapted for use in secondary schools: A quick, safe, colorful, convenient introduc-tion to two basic techniques”. 1992 69 989.

d) Wigman, Larry S.; Kelsch, Catherine T. “Separation science and chromatography: A color-ful introduction”. 1992 69 991.

e) Wyler, Hugo; Chevreux, Pierre. “Simple chromatography column”. 1977 55 270.f) Lehky, Pavel. “Simple, inexpensive and reliable do-it-yourself chromatography columns”.

1978 54 227.g) McCullough, Thomas; Lechtenberg, Andre. “A short, intensive experiment in paper chro-

matography”. 1970 47 141.h) Stiles, D. A. “Experiments in paper chromatography”. 1970 47 688.

6. Sugiere un método para separar los componentes de las siguientes mezclas (discute tus pro-puestas con el profesor):a) Mezcla de gis pulverizado y sal de mesa.b) Disolución de azúcar en agua. c) Disolución de sal en una mezcla de alcohol y agua.d) Aceite esencial a partir de cortezas de limón.

7. Con la ayuda de una balanza y un termómetro, diseña un experimento mediante el cual pue-das confirmar la solubilidad del cloruro de sodio en agua a 25ºC. Estima luego la solubilidaddel azúcar o del bicarbonato de sodio en agua a la misma temperatura.

8. El yodo sólido es algo soluble en agua si se agrega además un poco de yoduro de potasio. Ob-serva el color de la disolución acuosa de yodo. Agrega un poco de tetracloruro de carbono,agita, y ve qué sucede. Idea entonces un método para separar al yodo de una disolución acuo-sa. Al terminar, recupera el tetracloruro de carbono por medio de una destilación.Para las preguntas 9 a 15, consulta el Apéndice 1.

9. Expresa las siguientes cantidades con prefijos del SI. La idea es que siempre resulte una can-tidad con uno, dos o tres dígitos antes del punto decimal, seguida de una unidad con prefijo.a) 524400 gb) 0.000134 mc) 0.000724 sd) 0.0012 mole) 23345 Kf) 345250 kgg) 101325 Pa

10. Elimina los prefijos del SI en las siguientes propiedades o cantidades y escríbelas en términosde unidades básicas, o derivadas, en notación científica exponencial.a) Tiempo de vida media del uranio -238, τ �

12

� � 142 Ps.b) Presión atmosférica al nivel del mar, P � 0.1013 MPa.c) Energía necesaria para vaporizar un kilogramo de agua E � 2257500 J.d) Coeficiente de expansión térmica del benceno, a presión atmosférica y 20ºC, � 1.237

(kK)�1.11. Expresa las siguientes cantidades en la unidades indicadas:

a) 0.00217 s en sb) 0.008 MJ en mJc) 0.000000017 mg en ngd) 131800 cm3 en m3

e) 7.96 m2 en mm2

12. A partir de la definición dada para la viscosidad, que involucra una fuerza por unidad de áreay de intervalo de velocidad, deriva que las unidades de esta propiedad son kg/(m s).

CAPÍTULO

1


13. En la siguiente ecuación, calcula las unidades de la constante de los gases, R; V es un volu-men en metros cúbicos, P es la presión en pascales, n la cantidad de sustancia, en mol, y T latemperatura en Kelvin.

R �

14. Busca en la biblioteca un manual o un libro de datos que tenga tablas de propiedades de lassustancias y recoge los siguientes datos expresados en las unidades del SI:a) Densidad del osmio sólidob) Temperatura de fusión del bencenoc) Temperatura de sublimación del CO2 sólidod) Capacidad calorífica del aluminio sólidoe) Viscosidad del tetracloruro de carbono, CCl4

f) Tensión superficial del agua líquidag) Solubilidad del carbonato de sodio en agua

15. Transforma las propiedades anteriores a las siguientes unidades (si no conoces alguna buscasu significado):a) g/cm3

b) ºCc) ºCd) cal/(g ºC)e) poisef) dina/cm2

g) kg de soluto por cada dm3 de agua.

BIBLIOGRAFÍA

Glasstone, S., Textbook of Physical Chemistry, Macmillan, Nueva York, 2a edición, 1946.McGlashan, M.L., Physicochemical Quantities and Units, Royal Institute of Chemistry, 1971.Mortimer, R.G., Physical Chemistry, Benjamin, California, 1993.Nassau, K., “The causes of color”, Sci. Am. 243[4], 106-123, 1980.Pauling, L., General Chemistry, W.H. Freeman, San Francisco, 1947.Pauling, L., Química general, Aguilar, Madrid, 1977.“Producción mundial de petróleo” de tabla 3, tomada el 30 de junio de 2004 de:

www.worldoil.com/INFOCENTER/STATISTICS_DETAIL.ASP?STAFILE=_WORLDOILPRODUCTION.

PV�nT

INTRODUCCIÓN


ÍNDICE CAPÍTULO 1

AAgua

gas de, 16Aguamarina, 28Alotrópica

forma, 16Análisis químico, 22

BBarril de petróleo, 29Bronce, 27

CCafeína, 25Cambio

físico, 15químico, 16

Capacidad calorífica específica, 21Centrifugación, 26Cloruro de sodio

densidad, 8solubilidad, 23

Cobre, 27Color, 19Compuesto, 18Condensador, 30Conductividad térmica, 22Corundum, 27Criogenia, 30Criogénica

planta, 30Cristalización, 23Cristalización fraccionada, 24Cromatografía, 25

ejemplos de procesos de separa-ción, 30Cromóforo, 28DDensidad, 20Destilación, 22Torre de, 30Disoluciones, 18Disolvente, 23Ductilidad, 20Dureza, 20EElectroforesis, 26Elemento, 18Elhúyar, Fausto de, 27Elución, 25Embudo de separación, 25Energía

mundial, 29Estado de agregación, 19

Extracción, 24FFenómenofísico, 15químico, 16Filtración, 22GGas natural, 29Gemas, 27Glasstone, Samuel, 15

HHexadecano, 30Hidrocarburos

temperaturas de fusión y ebullición,30Hierro, 27

JJade, 28

LLitro, 20

MMalaquita, 28Maleabilidad, 19Masa, 19Materia, 17

clasificación de la, 18Medina, Bartolomé de, 27Metales, 27Nativos, 27Metalurgia, 27Metano, 29Mezcla, 18

Heterogénea, 18Homogénea, 18

Mezclas, 18procesos de separación, 22

Minerales, 27Miscibilidad, 22Momento dipolar, 22

OOlor, 19Oro, 27Óxido

de aluminio, 27de hierro(III), 26

PPauling, Linus, 16Peso

y masa, 19Petróleo, 28

Entrampamiento, 29Petróleo crudo, 29Producción y consumo mundial, 29Piedras preciosas, 27Plata, 27Platino, 27Plato

de una torre de destilación, 30Pozo de petróleo, 29Precipitación electrostática, 26Producto, 26Propiedades

Extensivas, 19Físicas, 19Intensivas, 19Químicas, 21

Propiedades de las sustancias, 19Punto de ebullición, 20Punto de fusión, 20

RReactivo, 16Recuperación mejorada de crudo, 29Recuperación secundaria de crudo, 29Rehervidor, 30Rubí, 27Rugosidad, 19

SSabor, 19Saturación, 23Separación, 22Separación isotópica, 26Sistema Internacional de Unidades, 20, 32Solubilidad, 20, 23Soluto, 23Sustancias

pura, 18impuras, 28

TTensión superficial, 22Torre de destilación, 30Tswett, Michael, 25Turquesa, 28

VVapor

arrastre de, 26Viscosidad, 21

ZZafiro, 27

PRIMERA PARTE CAPÍTULO 1 I MANIFESTACIONES NT DE...

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