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Física y Química 3.º ESO · Sustancias puras, mezclas y coloides

Sustancias simples y compuestos

Objetivo: Al terminar, sabrás distinguir sustancias simples y compuestos, explicar por qué un compuesto no es una mezcla y justificar con la electrólisis que el agua es un compuesto de composición fija.

Explicación

Dos tipos de sustancias puras

Las sustancias puras se dividen en dos grupos según se puedan o no descomponer en otras más sencillas mediante procesos químicos (calentarlas mucho, hacer pasar corriente eléctrica…):

	Sustancias simples	Compuestos
¿Se pueden descomponer en otras más sencillas?	No, por ningún procedimiento químico	Sí, por procesos químicos
¿De qué están formadas?	De un solo elemento químico	De dos o más elementos combinados en proporción fija
Ejemplos	oxígeno ( $\text{O}_2$ ), hierro (Fe), cobre (Cu), helio (He), ozono ( $\text{O}_3$ )	agua ( $\text{H}_2\text{O}$ ), sal común (NaCl), dióxido de carbono ( $\text{CO}_2$ ), azúcar

Los elementos químicos son los «ingredientes básicos» de toda la materia; aparecen en la tabla periódica (hoy se conocen 118). Cada uno tiene un símbolo: H, O, C, Fe, Cu…

Truco con la fórmula: si la fórmula tiene un solo símbolo (aunque lleve subíndice, como $\text{O}_2$ ), es una sustancia simple; si tiene dos o más símbolos distintos ( $\text{H}_2\text{O}$ , $\text{CO}_2$ ), es un compuesto.

Compuesto no es lo mismo que mezcla

Compuesto	Mezcla
Sus elementos están en proporción fija: en el agua hay siempre 1 g de hidrógeno por cada 8 g de oxígeno.	La proporción de los componentes es variable.
Tiene propiedades nuevas, distintas de las de sus elementos.	Cada componente conserva sus propiedades.
Solo se separa en sus elementos por procesos químicos.	Se separa por métodos físicos (filtrar, evaporar, usar un imán…).

Por ejemplo, el sodio es un metal que reacciona violentamente con el agua y el cloro es un gas tóxico; combinados forman la sal común, que echamos a la comida.

Las sustancias puras tienen propiedades constantes

Cada sustancia pura tiene sus propiedades características fijas: el agua pura funde a 0 °C, hierve a 100 °C (a la presión del nivel del mar) y tiene una densidad de 1 g/cm³. Por eso estas propiedades sirven para identificar sustancias.

Resumen: clasificación de la materia

Sustancias puras → sustancias simples · compuestos
Mezclas → homogéneas · heterogéneas

Puntos clave

Sustancia simple: no se puede descomponer en otras; está formada por un solo elemento.
Compuesto: se descompone por procesos químicos en sustancias simples; tiene dos o más elementos en proporción fija.
En una fórmula: un solo símbolo → sustancia simple; varios símbolos distintos → compuesto.
Un compuesto tiene propiedades distintas de las de sus elementos; en una mezcla cada componente conserva las suyas.
El agua siempre tiene 1 g de hidrógeno por cada 8 g de oxígeno.
La electrólisis del agua demuestra que el agua es un compuesto.

Errores frecuentes

ErrorPensar que $\text{O}_2$ es un compuesto porque «tiene un 2».
Cómo corregirloEl subíndice indica cuántos átomos hay, no cuántos elementos. $\text{O}_2$ solo tiene oxígeno: es una sustancia simple.
ErrorDecir que el agua es una mezcla de hidrógeno y oxígeno.
Cómo corregirloEn una mezcla los componentes conservan sus propiedades y se separan por métodos físicos. El agua no se parece en nada al hidrógeno ni al oxígeno, tiene una composición fija y solo se descompone con un proceso químico (la electrólisis).
ErrorConfundir «compuesto» con «mezcla» porque los dos tienen varios componentes.
Cómo corregirloPregúntate: ¿la proporción es fija?, ¿tiene propiedades nuevas?, ¿se separa con un método físico? Si la proporción es fija y las propiedades son nuevas, es un compuesto.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. La electrólisis del agua experimental
En un aparato de electrólisis (voltámetro de Hofmann) se hace pasar corriente eléctrica por agua con un poco de sulfato de sodio disuelto para que conduzca. En los dos electrodos aparecen burbujas de gas que se recogen en dos tubos. Al cabo de un rato, en un tubo hay 20 mL de gas y en el otro 10 mL. El gas del primer tubo arde con una pequeña explosión al acercarle una cerilla; el del segundo aviva la llama de una astilla con un punto de brasa. a) ¿Qué gases son? b) ¿Qué demuestra la experiencia sobre el agua?

Resolución
a) El gas que arde con una pequeña explosión es hidrógeno (20 mL). El que aviva la brasa es oxígeno (10 mL). Se obtiene siempre el doble de volumen de hidrógeno que de oxígeno.

b) El agua se ha descompuesto en dos sustancias más sencillas mediante un proceso químico (la corriente eléctrica): $\text{agua} \rightarrow \text{hidrógeno} + \text{oxígeno} \qquad (2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2)$ Por tanto, el agua es un compuesto. El hidrógeno y el oxígeno no se pueden descomponer más: son sustancias simples.
Ejemplo 2. Hierro y azufre: ¿mezcla o compuesto? de laboratorio (comparar)
Se mezclan limaduras de hierro (grises) con azufre en polvo (amarillo). a) ¿Cómo se pueden separar? b) Después se calienta otra porción de la misma mezcla en un tubo de ensayo: se pone incandescente y se forma un sólido negro que no es atraído por un imán. ¿Qué ha ocurrido?

Resolución
a) Es una mezcla: se ven los granos grises y amarillos y cada componente conserva sus propiedades. Al pasar un imán, el hierro se queda pegado y el azufre no. Es un método físico.

b) Al calentar se ha formado una sustancia nueva, el sulfuro de hierro(II), un compuesto: $\text{hierro} + \text{azufre} \rightarrow \text{sulfuro de hierro(II)} \qquad (\text{Fe} + \text{S} \rightarrow \text{FeS})$ Tiene propiedades distintas (color negro, no lo atrae el imán) y ya no se puede separar con un imán.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Clasifica en sustancia simple o compuesto: a) oxígeno, $\text{O}_2$ ; b) agua, $\text{H}_2\text{O}$ ; c) hierro, Fe; d) dióxido de carbono, $\text{CO}_2$ ; e) ozono, $\text{O}_3$ ; f) cloruro de sodio, NaCl; g) helio, He; h) azúcar (sacarosa), $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$ .

Ver solución
Simples: a, c, e, g. Compuestos: b, d, f, h.
Contamos los símbolos distintos de cada fórmula: $\text{O}_2$ (O), Fe, $\text{O}_3$ (O) y He tienen un solo elemento → sustancias simples. $\text{H}_2\text{O}$ (H y O), $\text{CO}_2$ (C y O), NaCl (Na y Cl) y la sacarosa (C, H y O) tienen varios elementos → compuestos.
2. Fácil
Al calentar fuertemente un polvo rojo, el óxido de mercurio(II), se obtienen gotitas de un metal líquido plateado (mercurio) y un gas que aviva la llama (oxígeno). Ni el mercurio ni el oxígeno se pueden descomponer de ninguna manera. Clasifica las tres sustancias y justifícalo.

Ver solución
Óxido de mercurio(II): compuesto. Mercurio y oxígeno: sustancias simples.
El óxido de mercurio(II) se ha descompuesto en dos sustancias más sencillas mediante un proceso químico (calentar): es un compuesto. El mercurio y el oxígeno no se pueden descomponer: son sustancias simples.
3. Media
En una electrólisis del agua se recogen 30 mL de hidrógeno. a) ¿Cuánto oxígeno se ha recogido en el mismo tiempo? b) Si en otra electrólisis se recogen 25 mL de oxígeno, ¿cuánto hidrógeno se ha formado?

Ver solución
a) 15 mL de oxígeno. b) 50 mL de hidrógeno.
En la electrólisis del agua el volumen de hidrógeno es siempre el doble que el de oxígeno. a) $V_{\text{O}_2} = 30 : 2 = 15$ mL. b) $V_{\text{H}_2} = 2 \cdot 25 = 50$ mL.
4. Difícil
El agua siempre contiene 1 g de hidrógeno por cada 8 g de oxígeno. a) ¿Cuántos gramos de hidrógeno y de oxígeno se obtienen al descomponer 54 g de agua? b) Un alumno dice que al descomponer 35 g de agua obtuvo 5 g de hidrógeno y 30 g de oxígeno. ¿Puede ser? Explícalo.

Ver solución
a) 6 g de hidrógeno y 48 g de oxígeno. b) No: la proporción sería 5 : 30 = 1 : 6, y en el agua siempre es 1 : 8.
a) Cada 9 g de agua contienen 1 g de hidrógeno y 8 g de oxígeno. En 54 g hay $54 : 9 = 6$ «grupos» de 9 g: hidrógeno: $6 \cdot 1 = 6$ g; oxígeno: $6 \cdot 8 = 48$ g. Comprobación: $6 + 48 = 54$ g. ✔

b) Con 5 g de hidrógeno deberían salir $5 \cdot 8 = 40$ g de oxígeno (y haber descompuesto 45 g de agua), no 30 g. La proporción $5 : 30 = 1 : 6$ no es la del agua. Como un compuesto tiene composición fija, el resultado es imposible: el alumno se ha equivocado al medir (o la muestra no era agua pura).

Para practicar más

1. Fácil
Clasifica en sustancia simple o compuesto: a) nitrógeno, $\text{N}_2$ ; b) amoniaco, $\text{NH}_3$ ; c) plata, Ag; d) metano, $\text{CH}_4$ ; e) cloro, $\text{Cl}_2$ ; f) óxido de calcio, CaO.

Ver solución
Simples: a, c, e. Compuestos: b, d, f.
Un solo elemento ( $\text{N}_2$ , Ag, $\text{Cl}_2$ ) → sustancias simples. Dos elementos ( $\text{NH}_3$ : N y H; $\text{CH}_4$ : C y H; CaO: Ca y O) → compuestos.
2. Fácil
Si calientas mucho azúcar en una sartén, primero se forma caramelo y después queda un sólido negro (carbono) mientras se desprende vapor de agua. a) ¿El azúcar es una sustancia simple o un compuesto? b) ¿Y el carbono, si no se puede descomponer más?

Ver solución
a) Compuesto. b) Sustancia simple.
a) El azúcar se ha descompuesto en sustancias más sencillas (carbono y agua) al calentarlo: es un compuesto. b) El carbono no se puede descomponer: es una sustancia simple.
3. Media
a) ¿Cuántos gramos de hidrógeno y de oxígeno hay en 27 g de agua? b) ¿Qué masa de agua hay que descomponer para obtener 10 g de hidrógeno? ¿Cuánto oxígeno se obtiene a la vez?

Ver solución
a) 3 g de hidrógeno y 24 g de oxígeno. b) 90 g de agua; 80 g de oxígeno.
En el agua hay 1 g de hidrógeno por cada 8 g de oxígeno, es decir, 1 g de hidrógeno por cada 9 g de agua. a) $27 : 9 = 3$ ; hidrógeno: $3 \cdot 1 = 3$ g; oxígeno: $3 \cdot 8 = 24$ g. b) Agua: $10 \cdot 9 = 90$ g; oxígeno: $10 \cdot 8 = 80$ g. Comprobación: $10 + 80 = 90$ g. ✔
4. Media
Da tres razones por las que el agua es un compuesto y no una mezcla de hidrógeno y oxígeno. Pista: el hidrógeno es un gas que arde y el oxígeno es un gas que aviva la combustión.
Ver solución
Propiedades nuevas, proporción fija y solo se separa por un proceso químico.
1. Propiedades nuevas: el hidrógeno y el oxígeno son gases que arden o avivan el fuego; el agua es un líquido (a temperatura ambiente) que apaga el fuego.
2. Proporción fija: el agua tiene siempre 1 g de hidrógeno por cada 8 g de oxígeno; en una mezcla la proporción podría ser cualquiera.
3. Separación: no se puede separar en hidrógeno y oxígeno filtrando, evaporando ni con ningún método físico; hace falta un proceso químico, la electrólisis.