Una sustancia pura (o simplemente sustancia) es aquella materia que tiene unas propiedades características y una composición que no cambian entre una muestra y otra. El agua y la sal común (cloruro sódico), los componentes del agua del mar, son ejemplos de sustancias puras. Muchas formas de la materia que conocemos, por ejemplo el aire que respiramos (un gas), el agua que bebemos (un líquido) y el pan que comemos (un sólido) no son químicamente puras. Podemos separar estas formas de la materia en diferentes sustancias puras.

Todas las sustancias son o bien elementos, o bien compuestos. Los elementos no se pueden descomponer en sustancias más sencillas. A nivel molecular, cada elemento se compone de un único tipo de átomo. Los compuestos son sustancias formadas por dos o más elementos, es decir, contienen dos o más clases de átomos diferentes. El agua, por ejemplo, es un compuesto formado por dos elementos: hidrógeno y oxígeno. Por último, las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias en las que cada sustancia conserva su identidad química propia.

Actualmente se conocen 117 elementos con una abundancia muy variada; así, el 90% de la corteza terrestre (incluyendo los océanos y la atmosfera) está constituido por solamente cinco elementos: oxígeno, silicio, aluminio, hierro y calcio. De igual forma, sólo tres elementos –oxígeno, carbono e hidrógeno- forman más del 90 % de la masa del cuerpo humano.

0004 Sustancias puras. Elementos y Compuestos. Mezclas. Tabla 1

En la Tabla anterior se muestran algunos de los elementos más comunes junto con sus símbolos o “abreviaturas” usadas para representarlos. El símbolo de cada elemento consiste en una o dos letras (la primera siempre mayúscula). Los símbolos se derivan de sus nombres ya sea en español o en latín. Es muy conveniente conocer los símbolos de los elementos químicos.

Muchos elementos pueden interaccionar con otros elementos para formar compuestos. Cuando el hidrógeno quema en presencia de oxígeno, los elementos hidrógeno y oxígeno se combinan formando el compuesto agua. Por el contrario, el agua se descompone en los elementos que la componen al pasar a través de ella una corriente eléctrica. El agua pura, independientemente de su origen, contiene un 11% de hidrógeno y un 89% de oxígeno en peso. Esta composición macroscópica corresponde a la composición molecular que consiste en dos átomos de hidrógeno combinados con uno de oxígeno.

Como se observa en la siguiente tabla, las propiedades del agua no tienen ningún parecido con las de los elementos que la componen. El hidrógeno, el oxígeno y el agua son, cada una de ellas, sustancias únicas como consecuencia de la singularidad de sus respectivas moléculas.

0004 Sustancias puras. Elementos y Compuestos. Mezclas. Tabla 2

La observación de que la composición elemental de un compuesto puro es siempre la misma se conoce como ley de la composición constante (o ley de las proporciones definidas). El químico francés Joseph Louis Proust (1754-1826) estableció esta ley hacia 1800. Un compuesto puro tiene la misma composición y propiedades independientemente de su origen. Los químicos y la naturaleza utilizan los mismos elementos y trabajan bajo las mismas leyes naturales. Cuando dos materiales difieren en composición y propiedades, o bien están formados de diferentes compuestos o tienen diferentes purezas.

La mayor parte de la materia que nos encontramos consiste en mezclas de diferentes sustancias. En una mezcla, cada sustancia conserva su identidad química y sus propiedades. En contraste con una sustancia pura, que tiene una composición fija, la composición de una mezcla puede variar. Por ejemplo una taza de café azucarado puede tener un poco o mucho azúcar. Las sustancias que forman una mezcla (como el azúcar y el agua) se denominan componentes de la mezcla. Algunas mezclas no tienen la misma composición, propiedades y apariencia en su totalidad. Tanto las rocas como la madera, por ejemplo, varían en textura y apariencia en cualquier muestra típica. Dichas mezclas se denominan heterogéneas. Las mezclas que son uniformes en conjunto, se llaman homogéneas. El aire es una mezcla homogénea de las sustancias gaseosas nitrógeno, oxígeno y cantidades pequeñas de otras sustancias. El nitrógeno del aire tiene las mismas propiedades que el nitrógeno puro porque tanto la sustancia pura como la mezcla contienen las mismas moléculas de nitrógeno. La sal, el azúcar y muchas otras sustancias se disuelven en agua formando mezclas homogéneas. Las mezclas homogéneas también se llaman disoluciones. Aunque el término disolución normalmente nos recuerda un líquido en un vaso de precipitados o un matraz, las disoluciones pueden ser sólidos, líquidos o gases.

Como cada componente de una mezcla conserva sus propiedades, podemos separa una mezcla en sus componentes aprovechando las diferencias en sus propiedades. Por ejemplo, una mezcla heterogénea de limaduras de hierro y oro puede separase por la diferencia de color de los dos componentes. Una forma más simple sería utilizando un imán para atraer las limaduras de hierro separándolas de las de oro. También se podría utilizando una propiedad química; muchos ácidos disuelven el hierro pero no el oro. Así, si ponemos la mezcla en un ácido adecuado, el ácido disolverá el hierro dejando el oro inalterado. Una filtración separará el oro del hierro disuelto que, como veremos más adelante, transformaremos de nuevo en hierro metal mediante una reacción química.