Sistemas Materiales
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SISTEMAS MATERIALES
1.- CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MATERIALES
Todos los sistemas materiales que hay en la naturaleza están formados por sustancias puras o
por mezclas de ellas. Conviene definir estos dos conceptos:
■ SUSTANCIA PURA. Es toda porción de materia homogénea, que tiene una composición fija
e idéntica en todas sus partes, que posee unas propiedades características (densidad,
temperatura de fusión, temperatura de ebullición...) propias y que no puede descomponerse
mediante métodos físicos (filtración, decantación, destilación…) en otras sustancias.
Ejemplo de sustancias puras: agua destilada, alcohol, azúcar, sal común, aluminio,
oro, plata, hierro, cobre, platino, estaño, plomo, oxígeno, nitrógeno líquido, etc. En la
naturaleza se encuentran muy pocas sustancias puras aisladas, la gran mayoría se
encuentran mezcladas con otras sustancias.
Las sustancias puras a su vez se clasifican en dos tipos: sustancias simples (o elementos) y
sustancias compuestas (o compuestos). Esto lo desarrollaremos un poco más adelante.
■ MEZCLA. Es todo sistema material formado por varias sustancias puras, denominadas
componentes, que pueden separarse mediante métodos físicos (filtración, decantación,
destilación…). Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas:
Actividad 1. Clasificar los siguientes cuerpos o sistemas materiales como: sustancia pura,
mezcla homogénea o mezcla heterogénea. a) Agua mineral. b) Destornillador. c) Mercurio.
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2.- TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE SUSTANCIAS
Todas las técnicas de separación son procesos físicos, porque los componentes que
forman las mezclas no cambian su naturaleza mientras se separan.
Hay varias técnicas de laboratorio que permiten separar las distintas sustancias puras que
componen una mezcla heterogénea.
● DECANTACIÓN
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● CENTRIFUGACIÓN
Esta técnica sirve para separar un sólido del líquido en el que se halla en suspensión, igual que la
decantación, la diferencia es que con esta técnica el proceso es mucho más rápido.
Esta técnica se utiliza por ejemplo, para separar el plasma, las plaquetas, los glóbulos blancos y
los glóbulos rojos de la sangre, para poder estudiarlos luego por separado.
● FILTRACIÓN
● SEPARACIÓN MAGNÉTICA
● EXTRACCIÓN
Esta técnica sirve para separar una sustancia (o varias) a partir de una
mezcla sólida (o también líquida), aprovechando las diferencias de
solubilidad de los componentes de la mezcla en un disolvente adecuado.
Esta técnica también es útil para separar componentes en mezclas homogéneas y por eso,
también podría aparecer en el punto siguiente, 2.1.
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2.1.- TÉCNICAS DE SEPARACIÓN PARA MEZCLAS HOMOGÉNEAS.
Hay varias técnicas de laboratorio que permiten separar las distintas sustancias puras que
componen una mezcla homogénea.
● EVAPORACIÓN Y CRISTALIZACIÓN
● DESTILACIÓN
Esta técnica sirve para separar los componentes de una mezcla de líquidos, que tienen distintas
temperaturas de ebullición.
● CROMATOGRAFÍA
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Actividad 2.- ¿Qué técnica es la más adecuada para separar los componentes de las siguientes
mezclas?
a) Agua y gasolina e) Agua azucarada
b) Agua con alcohol f) Arena y virutas de hierro
c) Agua turbia con arcilla g) Alcohol y arena
d) Sangre h) Agua salada
Indica la masa en gramos del componente que hay por cada litro de la mezcla. Se utiliza sobre
todo para mezclas de sólidos en líquidos. Se determina mediante la siguiente expresión:
EJERCICIO RESUELTO.
Se prepara una salmuera, para conservar pepinillos y aceitunas, disolviendo 30 gramos de sal
común de mesa en agua dentro de una garrafa de plástico de boca ancha, que se llena hasta
obtener 5 litros de salmuera. Calcular la concentración en masa de sal que hay en la mezcla.
masa de sal ( g ) 30 g
g / L de sal 6g/L
volumen de la mezcla ( L) 5 L
La concentración obtenida significa que en la mezcla hay 6 gramos de sal por cada litro de
mezcla.
Indica la masa en gramos del componente que hay por cada cien gramos de la mezcla. Se utiliza
sobre todo para mezclas de sólidos. Se determina mediante la siguiente expresión:
EJERCICIO RESUELTO.
Un joyero mezcla y funde 11,25 g de oro puro y 3,75 gramos de paladio puro, para fabricar un
anillo de "oro blanco". Calcular el tanto por ciento en masa de oro que hay en el anillo.
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TANTO POR CIENTO EN VOLUMEN (% en volumen) DE UN COMPONENTE DE LA MEZCLA
Indica el volumen del componente que hay por cada cien litros de la mezcla. Se utiliza sobre todo
para mezclas de gases o de líquidos. Se determina mediante la siguiente expresión:
En aire del laboratorio de Física y Química del instituto hay 200.000 litros de aire, que contiene
42.000 litros de oxígeno y 156.000 litros de nitrógeno. Calcular:
EJERCICIO RESUELTO.
En 500 mL de una mezcla, de agua destilada y alcohol puro, hay 200 mL de este último
componente. Calcular el tanto por ciento en volumen de alcohol que hay en la mezcla.
OBSERVACIÓN
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Actividad 3.- Un alumno para desayunar disuelve 10 g de azúcar en la leche de una taza hasta
obtener 200 mL de leche azucarada. ¿Cuál es la concentración en g/L de azúcar en la mezcla
resultante?
Actividad 4.- Los tres ingredientes principales de la mayoría de los fertilizantes son: nitrógeno,
fósforo y potasio. Calculando el tanto por ciento en masa, determinar qué fertilizante tiene mayor
concentración de fósforo: un saco de 20 kg de la marca "Nutrex" que tiene 6 kg de fósforo, o un
saco de 50 kg de la marca "Agricol" que tiene 12,5 kg de fósforo.
Actividad 5.- En una botella de vino de Rioja de 750 mL hay 90 mL de alcohol. ¿Cuál es el
porcentaje en volumen de alcohol en la mezcla?
4.- DISOLUCIONES
Las mezclas homogéneas o disoluciones son tan importantes que conviene estudiarlas con
detalle. En toda disolución hay que distinguir los siguientes términos:
Se clasifican las disoluciones de dos formas distintas: según las proporciones relativas de sus
componentes o según el estado físico de los mismos.
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■ En función del estado físico de sus componentes. Hay nueve tipos posibles de
disoluciones, la tabla siguiente muestra las distintas posibilidades. De todas ellas, las más
importantes son las que tienen disolvente líquido (el más habitual es el agua).
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EJERCICIO RESUELTO . A partir de la gráfica adjunta, que representa la solubilidad de una
sustancia llamada cloruro potásico en agua, se pide:
d) Calcular la cantidad de cloruro potásico necesaria para preparar una disolución saturada
de dicha sustancia en 200 mL de agua a 7 ºC.
Como la solubilidad a 7 ºC es 30 g en 100 mL de agua, la cantidad de cloruro potásico necesa-
ria es el doble, porque queremos preparar 200 mL:
Actividad 6. Observa atentamente la curva de solubilidad del nitrato de potasio y contesta a las
siguientes preguntas:
c) Si añadimos 50 g de nitrato de
potasio a 100 mL de agua a 30 ºC,
¿se disolverán completamente?
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Actividad 7. Explica la razón de por qué todas las mañanas al desayunar se disuelve mejor el
cacao en leche caliente que en leche fría.
Actividad 9. Para preparar una disolución, Mónica añadió 30 g de soluto en 100 g de agua.
Después de agitar durante mucho rato, quedaba parte del soluto sin disolver por lo que filtró la
disolución. En el papel de filtro quedaron 10 g de soluto. Se pide:
a) La solubilidad de ese soluto en agua.
b) ¿La disolución obtenida será diluida, concentrada o satura?
a) ¿Cuál de esas sustancias es más soluble a 30 ºC? ¿Cuál es menos soluble a esa misma
temperatura?
b) La solubilidad de los gases, ¿aumenta o disminuye con la temperatura?
c) Si abres una botella de refresco cuando está fría se observa que salen pocas burbujas. Si se
abre cuando la botella está a la temperatura ambiente salen bastantes burbujas (se supone
que la botella no se agita previamente). Explicar este hecho.
d) En un río vivían bastantes peces. Cerca del río se instaló una central térmica de producción de
electricidad que utilizaba el agua del río como refrigerante, de manera que aumentó la
temperatura media del agua del río. Se observó que los peces morían. Explicar este hecho.
Para distinguir si un sistema material homogéneo líquido es una sustancia pura o una disolución
(mezcla de varias sustancias) hay que aplicar alguna de las técnicas de separación de mezclas
homogéneas: evaporación, cristalización o destilación,...
Ejemplo. Nos piden distinguir si el contenido de una botella, en cuya etiqueta se lee "Agua" a
secas, contiene agua pura destilada o agua con sales minerales disueltas. La manera más rápida
de encontrar la respuesta consiste en colocar una parte del agua de dicha botella en un vaso de
precipitados u otro recipiente, calentar y mantener hirviendo el líquido hasta que se evapore todo
el agua. Después basta observar si ha quedado un residuo blanco en el interior del recipiente que
denotaría la presencia de sales minerales disueltas. En caso negativo se trataría de agua pura.
Además, para diferenciar si un sistema líquido homogéneo es una sustancia pura o una
disolución, de una manera rápida, debemos fijarnos en la temperatura de ebullición. En el caso
de una sustancia líquida pura, la temperatura de ebullición es fija y permanece constante,
mientras que en el caso de una disolución, la temperatura de ebullición no permanece constante.
Lo mismo le ocurre a otras propiedades características, como la densidad o la temperatura de
fusión (por eso se echa sal común en las carreteras, en invierno, para que no se forme hielo,
porque la mezcla de agua con sal se congela a temperaturas por debajo de cero grados).
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Actividad 11 . En un laboratorio se realizan tres experiencias. En la primera de ellas se ponen en
un vaso de precipitado 600 g de agua y se calienta con un mechero, anotando la temperatura del
agua cada dos minutos. En la segunda experiencia se calienta en el mismo recipiente y con el
mismo mechero una disolución formada de 50 g de sal disueltos en 550 g de agua y se anota la
temperatura cada dos minutos. En la tercera experiencia se hace lo mismo con otra disolución
formada por 100 g de sal disuelta en 500 g de agua. Los valores de temperatura medidos en
cada experiencia son:
La Teoría Cinético-Molecular dice que las sustancias están formadas por partículas. Cuando un
sistema está formado por una sustancia pura, sólo habrá una clase de partículas, mientras que si
el sistema es una mezcla heterogénea o una disolución, habrá al menos dos clases de partículas
distintas.
Otro factor que influye en el proceso de disolución es la temperatura. Si ésta aumenta, las
partículas de disolvente reciben más energía, lo que implica un mayor movimiento y, por tanto, un
mayor número de choques contra las partículas de soluto que están en la red cristalina y con
mayor velocidad. Además, este aumento energético provoca también una mayor vibración de las
partículas del sólido, haciendo disminuir las fuerzas de unión entre ellas. Así pues, un aumento
de temperatura provoca una mayor facilidad de disolución y, además, se disuelve mayor cantidad
de sustancia (aumenta la solubilidad al aumentar la temperatura).
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4.5.- Diferencia entre disoluciones, coloides y suspensiones.
Hay ciertas mezclas que pueden parecer disoluciones, sin un análisis exhaustivo, pero que no lo
son. Por eso es importante distinguir especialmente tres tipos de mezclas: disoluciones, coloides
y suspensiones. La diferencia entre ellas está en el tamaño de sus partículas.
Coloides. Son mezclas que están entre las homogéneas y las heterogéneas. Sus partículas
están comprendidas entre 10 nanómetros y 10 m de diámetro, no se ven a simple vista, no
sedimentan cuando se las deja en reposo y no se pueden separar sus componentes por
filtración. A diferencia de las disoluciones presentan el Efecto Tyndall, según el cual al pasar un
haz de luz a través de ellas la dispersan y la hacen visible.
Los coloides están formados por una fase dispersa y una fase dispersora. Por ejemplo, la niebla o
las nubes son coloides, la fase dispersora es el aire y la fase dispersa está formada por gotitas de
agua microscópicas. Existen diferentes coloides que se clasifican de acuerdo con el estado de
sus fases dispersa y dispersora. La tabla siguiente muestra como se clasifican:
Fase dispersa
Espuma
Emulsión líquida Sol
Fase
continua Líquido Ejemplo: espuma
Ejemplo: leche, salsa mayonesa, cremas Ejemplo: pinturas, tinta
de afeitado, nata
cosméticas china
batida
Suspensiones. Son mezclas heterogéneas cuyas partículas tienen un diámetro mayor que los
coloides, cuando se dejan en reposo sedimentan. Se pueden separar por decantación o por
filtración. Son turbias y sus partículas se pueden ver a simple vista o con una lupa. Ejemplo: agua
enturbiada con arcilla, horchata,...
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5.- SUSTANCIAS PURAS: ELEMENTOS Y COMPUESTOS
Al comienzo del tema hemos dicho que las sustancias puras, a su vez, podemos clasificarlas
en elementos y compuestos.
Descomposición térmica de una sustancia liberando gas oxígeno Electrolisis del agua (rotura por la electricidad)
para formar gas oxígeno y gas hidrógeno
Casi todas las sustancias puras que existen en la naturaleza son compuestos, únicamente en
torno a noventa son elementos químicos.
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6.- LA TEORÍA ATÓMICA DE LA MATERIA
● Las partículas de las sustancias simples o elementos están formadas por una sola clase de
átomos, todos iguales con las mismas propiedades.
Actualmente se conocen 118 tipos de átomos diferentes, de los cuales los 94 más sencillos
existen en la naturaleza y el resto han sido sintetizados artificialmente en laboratorios.
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Actividad 12.- Clasifica los sistemas materiales que se representan en las imágenes inferiores
como: a) sustancia pura simple o elemento; b) sustancia pura compuesta o compuesto;
c) mezcla (en este caso especificar de qué tipo son las sustancias que componen la mezcla).
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
TÍTULO: DECANTACIÓN.
MATERIAL:
El proceso de separación del sólido consiste en dejar reposar previamente la mezcla todo el
tiempo que haga falta hasta que el sólido sedimente totalmente en el fondo del recipiente y el
líquido quede transparente. Luego se extrae el líquido con sumo cuidado con ayuda de un sifón
o simplemente inclinando cuidadosamente el recipiente para retirar el líquido sin que se mueva
el sólido.
Se repite el proceso pero mezclando ahora una disolución de ferrocianuro potásico y otra de
cloruro férrico para formar un precipitado muy fino que análogamente se procede a decantar.
Opcionalmente, se pueden tomar fotografías cada 5 minutos con una cámara digital para
realizar después un pase de diapositivas.
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
TÍTULO: FILTRACIÓN.
MATERIAL:
Se repite el proceso pero mezclando ahora una disolución de ferrocianuro potásico y otra de
cloruro férrico para formar un precipitado muy fino que análogamente se procede a filtrar.
Opcionalmente, se pueden tomar fotografías con una cámara digital para realizar después un
pase de diapositivas. Otra alternativa sería grabar el proceso con una cámara de vídeo.
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
TÍTULO: CRISTALIZACIÓN.
MATERIAL:
- Vaso de precipitados
- Cristalizador
- Agitador
- Agua
- Sulfato de cobre (azul)
- Cámara fotográfica digital
RESULTADOS:
DIA OBSERVACIONES
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
TÍTULO: CENTRIFUGACIÓN.
MATERIAL:
El proceso de separación del sólido y el líquido se lleva a cabo con rapidez si se coloca la
mezcla en una máquina centrifugadora donde gira a una enorme velocidad con lo que el sólido
se deposita rápidamente en el fondo. En las centrifugadoras de laboratorio la mezcla se coloca
normalmente en tubos de ensayo especiales que tienen un fondo cónico y que se colocan en
un cabezal rotatorio. Es muy importante llenar los tubos de ensayo hasta aproximadamente la
misma altura y, además, que la carga quede simétricamente repartida respecto al eje de giro
por lo que debe usarse siempre un número par de tubos y debe colocarse cada pareja uno en
frente del otro en el cabezal rotatorio. Una vez que el sólido se ha depositado en el fondo se
retira el líquido que sobrenada.
Se repite el proceso pero mezclando ahora una disolución de ferrocianuro potásico y otra de
cloruro férrico para formar un precipitado muy fino que análogamente se procede a centrifugar.
Opcionalmente, se puede grabar todo el proceso con una cámara de vídeo digital.
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
TÍTULO: SUBLIMACIÓN.
MATERIAL:
- Vaso de precipitados
- Vidrio de reloj
- Soporte
- Nuez
- Aro
- Rejilla de amianto
- Mechero Bunsen
- Yodo
- Arena
- Cámara fotográfica o de vídeo digital
PROCEDIMIENTO: La sublimación permite separar los sólidos volátiles como el yodo de los
sólidos fijos como la arena. El experimento debe realizarse dentro de una vitrina con sistema
de extracción de gases. Se coloca la mezcla de yodo y arena en un vaso de precipitados y se
tapa con un vidrio de reloj de tamaño grande. Se realiza el montaje de la figura, colocando el
vaso de precipitados sobre la rejilla de amianto. Se vierten unos mililitros de agua fría o se
colocan dos cubitos de hielo en el vidrio de reloj, para que actúe de refrigerante, y
posteriormente se enciende el mechero Bunsen y se comienza a calentar la mezcla. Al poco
rato comienzan a desprenderse vapores de yodo de color morado-violeta que ascienden y al
contacto con la base fría del vidrio de reloj solidifican formando diminutos cristales de yodo
puro.
Opcionalmente, puede aprovecharse para tomar varias fotografías y realizar después un pase
de diapositivas o puede grabarse todo el proceso con una cámara de vídeo.
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PRÁCTICA DE LABORATORIO
OBJETIVO: Separar los componentes más volátiles del vino (alcohol mayoritariamente
acompañado en pequeña proporción por fenoles), mediante calentamiento hasta ebullición del
vino y posterior enfriamiento del vapor desprendido.
MATERIAL:
- Dos soportes
- Dos nueces
- Dos pinzas
- Aro
- Rejilla de amianto
- Mechero Bunsen
- Matraz de destilación
- Núcleos de ebullición
- Refrigerante
- Termómetro
- - Tapón perforado
- Embudo
- Probeta
- Erlenmeyer
- Vaso de precipitados
- Vino
- Agua corriente
RESULTADOS:
Volumen destilado =
Vdestilado
% alcohol = × 100 =
Vinicial
OBSERVACIONES Y CONCLUSIÓN:
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EJERCICIOS
1.- Clasifica las siguientes sustancias en: mezclas (heterogéneas u homogéneas) o sustancias
puras (simples o compuestas):
2.- Un saco de abono fertilizante indica en su envase que contiene un 40% de fosfato potásico.
Si deseamos añadir a una tierra 2.000 Kg de dicho fosfato. ¿Qué cantidad de abono
utilizaremos?
3.- En la siguiente gráfica se dan los valores de la solubilidad de diferentes sustancias disueltas
en agua en función de la temperatura.
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4.- Dadas las siguientes disoluciones de un soluto, nitrato de potasio, a 50 ºC, clasificarlas
atendiendo a su concentración (concentrada, saturada, diluida).
Tipo de disolución
5.- Una persona bebe una copa de whisky que contiene en torno a veinte gramos de alcohol, que
son rápidamente absorbidos a través de las paredes de su estómago y en los treinta minutos
siguientes están repartidos por todo su cuerpo, de tal forma que en su sangre hay
exactamente 3 g de alcohol. Tras esa media hora inicia un viaje, pero, por desgracia, al poco
rato tiene un accidente y cuando llega la policía y los sanitarios le toman una muestra de
sangre. Sabiendo que dicha persona tiene 5 litros de sangre en su cuerpo, determinar:
6.- Determinar qué mezcla está más concentrada: la que prepara un chef de cocina moderna
disolviendo 10 g de sal en 200 g de agua para hacer un huevo pasado por agua, o la que
prepara su ayudante disolviendo 12 g de sal en 240 g de agua para cocer un huevo.
7.- La riqueza de azúcar en las mantequillas es de 51’5 %. Calcula la cantidad de azúcar que
ingieres al comer dos mantequillas, si cada una tiene una masa de 60 g.
8.- Un perfume tiene un 75 % en volumen de alcohol. Calcula cuánto alcohol precisamos para
preparar 500 mL de ese perfume.
9.- El agua de mar tiene una densidad de 1030 g/L y una concentración de sal del 3.5 % en
masa. Calcula la concentración de la disolución en g de sal por litro de disolución (g/L).
10.- Una botella de leche tiene, en su etiqueta, la información que recoge la imagen, referida a
100 mL de leche.
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11.- Una botella de agua mineral tiene la información que recoge la imagen.
12.- La dosis máxima de sulfato de cobre que puede echarse al agua potable para destruir las
algas microscópicas es de 1 mg por cada litro de agua. Al analizar el agua de una piscina se
ha encontrado que en 100 mL había 0.2 mg de sulfato de cobre. Determina la concentración
de sulfato de cobre en el agua de la piscina e indica si está dentro del límite aconsejable o lo
excede.
3
13.- Una lata de refresco contiene 330 cm de líquido. Si su concentración en azúcar es de
10 g/L, ¿qué cantidad de azúcar hay disuelta en el líquido contenido en la lata?
14.- El latón es una aleación de cobre y cinc. Cuando el porcentaje de cinc es del 35% en masa
se utiliza en bisutería. ¿Qué cantidad de cobre y de cinc tienen unos pendientes hechos con
20 g de esta aleación?
15.- Si disuelves 8 g de cloruro de sodio en 250 ml de agua, ¿puedes sin más datos saber su
concentración en g/L? ¿Y su concentración centesimal en masa? En caso afirmativo, halla
su valor.
16.- Explica cómo prepararías 100 ml de una disolución de un soluto, clorato de potasio (KClO3),
cuya concentración fuese 12 g/L a temperatura ambiente.
17.- A partir de la composición del aire en % en volumen (Nitrógeno 78%, Oxígeno 21% y Argón
3
0,93%). Calcula los litros de nitrógeno, de oxígeno y de argón que hay en 200 m de aire.
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