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La concentración
de una sustancia se refiere a una proporción entre un parámetro
relacionado con la cantidad de una sustancia de interés y otro parámetro
relacionado con el medio en el que dicha sustancia se encuentra
dispersa. La sustancia de interés suele llamarse soluto o analito,
mientras que el medio en el que se distribuye puede llamarse disolvente,
dispersante o, en términos más generales, mezcla. El parámetro
usado para describir el dispersante puede referirse a una o varias sustancias
que componen la mezcla, o también a una propiedad global del sistema,
como la masa total, el volumen total o la cantidad total de
materia.
Conceptos básicos de la materia
Recordemos, desde
nuestra unidad de introducción a la química, que la materia puede
clasificarse en sustancias puras y mezclas. Las sustancias puras
incluyen los elementos, como Ne, O₂, O₃, S, S₈, P y P₄, y también los compuestos,
como H₂O, CO₂, NaCl o C₆H₁₂O₆. Las sustancias puras tienen una composición
definida, es decir, sus componentes aparecen en proporciones constantes.
En los compuestos, esas proporciones se expresan mediante los subíndices
de la fórmula química molecular o empírica. Dichos subíndices
representan las proporciones definidas entre los elementos, tal como lo
establece la ley de las proporciones definidas asociada a Proust.
En las mezclas,
en cambio, las proporciones entre los componentes no son fijas. Pueden
variar dentro de ciertos rangos sin que por ello cambie necesariamente
la identidad general del sistema. Por ejemplo, una disolución de
sal en agua puede tener más o menos sal, pero seguirá siendo una mezcla de agua
y sal mientras sus componentes se mantengan distribuidos. Esta variabilidad es
precisamente la razón por la cual necesitamos el concepto de concentración:
nos permite expresar
cuánto de una sustancia está presente en relación con otra parte del sistema.
Figura 1. [Las mezclas heterogéneas]
tienen composición no uniforme y permiten distinguir sus componentes o fases.
Pueden ser sólidas, como una ensalada; líquidas, como una bebida con hielo;
o gaseosas, como el smog. Su estudio permite aplicar técnicas de
separación como filtración, decantación, tamizado y centrifugación.
Figura 2. [Las
mezclas homogéneas] tienen composición uniforme y sus componentes no se
distinguen a simple vista. Pueden ser sólidas, como el latón; líquidas,
como agua con sal o vinagre; o incluir gases disueltos, como el CO₂ en
agua mineral. En todos los casos forman una sola fase visible.
Las mezclas, a su
vez, se clasifican en heterogéneas y homogéneas. En las mezclas
heterogéneas podemos distinguir sus componentes a simple vista o con
instrumentos sencillos, como ocurre con arena mezclada con limaduras de hierro
o con agua y aceite. En las mezclas homogéneas, por el contrario, nuestros ojos
no bastan para reconocer los componentes separados, porque la distribución
parece uniforme. Históricamente, algunas mezclas se identificaban mediante propiedades
organolépticas, como el olor o el sabor; sin embargo, este
procedimiento puede ser peligroso, especialmente cuando se trabaja con
sustancias tóxicas, corrosivas o desconocidas. Por ello, en esta
sección estudiaremos las técnicas experimentales más comunes que
permiten separar mezclas y analizar sus componentes de manera más segura
y controlada.
Clasificación por dispersión
(a) Sólido en sólido: puede formar una mezcla
homogénea cuando el sólido se distribuye a nivel atómico o molecular dentro
de otro sólido, como ocurre en una aleación. También puede ser heterogénea
si los componentes sólidos conservan fases distinguibles. Su propiedad más
relevante es la formación de materiales con resistencia, color o conductividad
modificada. Ejemplo: latón, formado por zinc en cobre.
(b) Sólido en líquido: puede ser homogénea
si el sólido se disuelve completamente, formando una solución, o heterogénea
si permanece como partículas suspendidas. Su propiedad más importante es la
posibilidad de disolución o sedimentación. Ejemplo homogéneo: sal en agua.
Ejemplo heterogéneo: arena en agua.
(c) Sólido en gas: normalmente es una mezcla
heterogénea, porque las partículas sólidas quedan suspendidas en el gas sin
disolverse realmente. Su propiedad más relevante es la suspensión temporal de
partículas finas. Ejemplo: humo.
(d) Líquido en sólido: suele ser heterogénea
y aparece cuando un líquido queda atrapado dentro de una red sólida. Su
propiedad clave es la retención del líquido en una estructura semirrígida.
Ejemplo: gelatina.
(e) Líquido en líquido: puede ser homogénea
si ambos líquidos son miscibles, o heterogénea si forman una emulsión.
Su propiedad central es la miscibilidad. Ejemplo homogéneo: alcohol en agua.
Ejemplo heterogéneo: leche.
(f) Líquido en gas: normalmente es heterogénea
y forma un aerosol líquido. Su propiedad clave es la suspensión de
gotitas en el aire. Ejemplo: niebla.
(g) Gas en sólido: es heterogénea,
con burbujas atrapadas en una matriz sólida. Ejemplo: piedra pómez.
(h) Gas en líquido: es heterogénea
y forma una espuma. Ejemplo: espuma de jabón.
(i) Gas en gas: es homogénea,
porque los gases se mezclan molecularmente. Ejemplo: aire.
Mezclas de clasificación
complicada
Existen algunas
mezclas cuya clasificación resulta más compleja que la simple división entre homogéneas
y heterogéneas. Estas mezclas reciben el nombre de coloides y
poseen partículas de tamaño intermedio entre una solución verdadera y una
suspensión. A simple vista suelen parecer homogéneas porque sus partículas son
demasiado pequeñas para observarse directamente, pero en realidad son
heterogéneas a escala microscópica. Entre los coloides más comunes se
encuentran la leche, la niebla, las gelatinas, la espuma de afeitar y
muchas pinturas. Debido a su tamaño intermedio, estas partículas no sedimentan
fácilmente y pueden permanecer dispersas durante largos períodos de tiempo.
Una de las
propiedades más características de los coloides es el efecto Tyndall,
fenómeno mediante el cual las partículas coloidales dispersan la luz que las
atraviesa. Gracias a este efecto es posible visualizar el recorrido de un haz
luminoso dentro de ciertos materiales. Por ejemplo, el haz de una linterna
puede hacerse visible al atravesar niebla o humo debido a la dispersión de la
luz por las partículas suspendidas. En una solución verdadera, como agua con
sal completamente disuelta, este efecto no ocurre porque las partículas son
demasiado pequeñas para dispersar la luz de manera apreciable. El efecto
Tyndall constituye una de las herramientas más utilizadas para diferenciar
experimentalmente una solución de un coloide.
Muchos colores
observados en la naturaleza se deben precisamente a este mecanismo de
dispersión. El color blanco de la leche se origina porque las gotas
microscópicas de grasa y las micelas de proteínas dispersan prácticamente todas
las longitudes de onda de la luz visible. De forma similar, el color azul de
algunos ojos no se debe a un pigmento azul, sino a la dispersión
preferencial de las longitudes de onda cortas por estructuras microscópicas
presentes en el iris. Un fenómeno relacionado explica también el color azul del
cielo. Estos ejemplos muestran cómo las propiedades ópticas de los coloides
y de otras estructuras microscópicas pueden influir profundamente en la
apariencia visual de materiales y seres vivos.
Alterando la concentración
Las técnicas de
separación pueden clasificarse también según su poder separativo, es
decir, según qué tan cerca permiten llegar a la pureza de los
componentes obtenidos. Métodos como la sedimentación, decantación,
imantación, filtración y centrifugación suelen realizar
separaciones gruesas o preliminares. Estas técnicas eliminan una fracción
importante de las impurezas, pero rara vez producen materiales completamente
puros. En un nivel intermedio se encuentran procesos como la evaporación,
la destilación y algunas formas de cromatografía, capaces de
producir sustancias con grados de pureza muy elevados. Finalmente, técnicas
avanzadas como la ultrafiltración molecular, la cromatografía de alta
resolución o ciertos procesos de membranas pueden aproximarse mucho más a la
separación ideal, aunque incluso ellas poseen límites físicos y económicos.
Por esta razón, en
química e ingeniería suele hablarse más de pureza efectiva que de pureza
absoluta. Un reactivo puede contener trazas de otras sustancias y aun así
comportarse, para todos los efectos prácticos, como si fuera puro. Por ejemplo,
el agua destilada de laboratorio contiene pequeñas cantidades de gases
disueltos y de iones provenientes del ambiente, pero para la mayoría de
aplicaciones químicas se considera suficientemente pura. De manera similar, una
sal obtenida por evaporación puede conservar cantidades mínimas de humedad o
impurezas, sin que ello afecte significativamente su comportamiento
experimental. La decisión de continuar o no una purificación depende del uso
previsto y del costo energético necesario para alcanzar niveles de pureza cada
vez mayores.
Además, algunos
sistemas presentan límites fundamentales que impiden una purificación completa
mediante técnicas convencionales. Un ejemplo clásico es el ácido clorhídrico
acuoso, cuya composición queda restringida por fenómenos de equilibrio y
volatilidad, impidiendo obtener ácido clorhídrico puro por simple destilación
de sus soluciones acuosas. De forma similar, mezclas como etanol-agua
forman composiciones límite conocidas como azeótropos, donde líquido y
vapor poseen prácticamente la misma composición y la destilación deja de
aumentar la pureza. Estos casos muestran que la separación perfecta es más un
ideal teórico que una realidad experimental, y que toda técnica posee fronteras
impuestas por las propiedades físicas y químicas de los materiales
involucrados.
Algunas técnicas de separación
Figura 3. El [embudo de separación por decantación]
permite separar líquidos inmiscibles según su densidad. El
líquido más denso queda abajo y sale primero al abrir la llave de paso,
mientras el menos denso permanece arriba. Se usa en extracción
líquido-líquido, purificación de compuestos y análisis químico. Debe
agitarse con cuidado y dejarse reposar.
Figura 4. [La filtración]
separa un sólido insoluble de un líquido mediante un material
poroso, como el papel de filtro. El líquido atraviesa el filtro y se
recoge como filtrado, mientras las partículas sólidas quedan retenidas
como residuo. Se usa en laboratorio, purificación de agua, preparación
de café y tratamiento de mezclas heterogéneas.
Figura 5. [La
imantación]separa mezclas heterogéneas cuando uno de sus componentes
tiene propiedades magnéticas. El imán atrae materiales como el hierro, mientras
los sólidos no magnéticos permanecen aparte. Es una técnica física útil
en laboratorio, minería, reciclaje e industria, siempre que exista diferencia
clara en la respuesta magnética.
Figura 6. [Separación por evaporación]. La evaporación
separa un sólido disuelto de un líquido mediante calentamiento.
El solvente pasa a vapor y el soluto queda como residuo
sólido. Se usa para recuperar sales, cristales o sólidos disueltos en
soluciones. Es común en laboratorio, industria y obtención de sal marina.
Figura 7. [La sedimentación]
separa un sólido suspendido de un líquido por diferencia de densidad
y acción de la gravedad. Al dejar la mezcla en reposo, las
partículas más densas forman el sedimento en el fondo, mientras arriba
queda el sobrenadante. Se usa en minería, tratamiento de aguas y antes
de la decantación.
Figura 8. [La
ultrafiltración] separa partículas por tamaño usando una membrana de
poros muy finos y presión. Las partículas pequeñas atraviesan la membrana y
forman el permeado, mientras las grandes quedan como retenido. Se
usa para purificar agua, concentrar sustancias y separar macromoléculas
o partículas suspendidas.
Figura 9. [La cromatografía] es
una técnica que separa componentes de una mezcla usando
una fase móvil y una fase estacionaria. Cada
componente interactúa de forma distinta con la fase estacionaria, desplazándose
a diferentes velocidades. Esto permite su separación, análisis y purificación en
mezclas complejas, siendo esencial en química, farmacéutica y ciencias
ambientales.
Figura 10. [La
destilación] separa sustancias según su diferente punto de ebullición.
Al calentar una mezcla, el componente más volátil se evapora primero, pasa al condensador,
se enfría y vuelve a líquido. Luego se recoge como destilado. Se usa
para purificar agua, separar solventes y realizar procesos industriales.
Figura 11. [La centrifugación]
separa componentes de una mezcla por diferencia de densidad
mediante giro rápido. Las partículas más densas bajan y forman el sedimento
o pellet, mientras la fase menos densa queda arriba como sobrenadante.
Se usa en química, biología, medicina e industria para acelerar
procesos de sedimentación.
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