Apuntes de Quimica General

Qumica General

Universidad Arturo Michelena Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Electrnica

Apuntes de Qumica General

Prof. Edgar Valladares

Qumica General Unidad I - Introduccin

1 Unidad I Introduccin1.1 Propiedades de la materia y su medida 1.1.1 Importancia de la qumica y su alcanceLa qumica estudia la materia, incluyendo a nosotros mismos y a todo lo que nos rodea En muchas de nuestras actividades intervienen las reacciones qumicas, cambios de una sustancia qumica a otra. Cuando cocinamos, los alimentos sufren cambios qumicos y despus de comer, nuestros cuerpos llevan a cabo reacciones qumicas complejas para extraer los nutrientes que pueden utilizar. La gasolina que emplean nuestros automviles como combustible es una mezcla de docenas de compuestos qumicos diferentes. La combustin de esta mezcla proporciona la energa que impulsa al automvil. Desgraciadamente, algunas de las sustancias que se producen en la combustin de la gasolina intervienen en la contaminacin atmosfrica. Paradjicamente, aunque muchos de los problemas del medio ambiente que asedian a la sociedad moderna tienen un origen qumico, los mtodos para controlar y corregir estos problemas son tambin en gran medida de naturaleza qumica. Por tanto, de alguna manera, la qumica nos afecta a todos. A veces se llama a la qumica la ciencia central por estar relacionada con muchos otros campos cientficos y con tantas reas a las que se dedican el esfuerzo y la curiosidad humana. Los qumicos que desarrollan nuevos materiales para mejorar los dispositivos electrnicos, como las pilas solares, los transistores y los cables de fibra ptica, trabajan en la zona fronteriza de la qumica con la fsica y la ingeniera. Los que desarrollan nuevos frmacos contra el cncer o el SIDA trabajan en la zona fronteriza de la qumica con la farmacologa y la medicina. Los bioqumicos estn interesados en los procesos que tienen lugar en los seres vivos. Los qumico-fsicos se dedican a los principios fundamentales de la fsica y la qumica, intentando contestar a las preguntas bsicas que se plantean en todas las reas de la qumica: por que algunas sustancias reaccionan entre si y otra no? Con que velocidad tendr lugar una reaccin qumica determinada? Cuanta energa utilizable puede extraerse de una reaccin qumica? Los qumicos analticos estudian los procedimientos para separar e identificar las sustancias qumicas. Los cientficos especializados en medio ambiente utilizan ampliamente muchas de las tcnicas desarrolladas por los qumicos analticos. Los qumicos orgnicos centran su atencin en las sustancias que contienen carbono e hidrogeno combinados con otros pocos elementos. La mayor parte de las sustancias son compuestos qumicos orgnicos. Por ejemplo, las clulas de los seres vivos estn formadas por agua y compuestos qumicos orgnicos, ms una pequea cantidad de varias sales. Aunque las reas de la qumica orgnica y la inorgnica se solapan de muchas formas, los qumicos inorgnicos se centran en la mayora de los elementos, exceptuando el carbono. Aunque la qumica es una ciencia madura, su panorama esta salpicado de retos y preguntas sin responder. La tecnologa moderna requiere materiales nuevos con propiedades poco usuales, y los qumicos deben disear mtodos para producir estos materiales. La medicina moderna necesita frmacos formuladosPag. 1-1 Prof. Edgar Valladares


para llevar a cabo tareas especificas en el cuerpo humano, y los qumicos deben disear las estrategias para sintetizar estos frmacos a partir de compuestos iniciales relativamente simples. La sociedad exige mejoras en los mtodos de control de la contaminacin, sustitutos para las materias primas que escasean, mtodos seguros para deshacerse de los residuos txicos y modos ms eficaces de extraer energa de los combustibles. Los qumicos trabajan en todas estas reas. El progreso de la ciencia es una consecuencia de la forma de trabajar de los cientficos, al plantearse las preguntas adecuadas, disear los experimentos correctos para proporcionar las respuestas adecuadas y formular explicaciones aceptables de sus hallazgos. Examinemos a continuacin el mtodo cientfico con ms detenimiento.

1.1.2 Mtodo cientficoLa ciencia se diferencia de otros campos del saber por el mtodo que utilizan los cientficos para adquirir conocimientos y en el significado especial de estos conocimientos. Los conocimientos cientficos se pueden utilizar para explicar fenmenos naturales y, a veces, para predecir acontecimientos futuros. Los antiguos griegos desarrollaron algunos mtodos potentes para la adquisicin de conocimientos, especialmente en matemticas. La estrategia de los griegos consista en empezar con algunas suposiciones o premisas bsicas. Entonces, mediante el mtodo denominado razonamiento deductivo deban alcanzarse por lgica algunas conclusiones. Por ejemplo, si a = b y b = c, entonces a = c. Sin embargo, la deduccin por si sola no es suficiente para la adquisicin de conocimientos cientficos. El filsofo griego Aristteles supuso cuatro sustancias fundamentales: aire, tierra, agua y fuego. Aristteles crea que todas las dems sustancias estaban formadas por combinaciones de estos cuatro elementos. Los qumicos de hace varios siglos (mas conocidos como los alquimistas) intentaron sin xito aplicar la idea de los cuatro elementos para transformar plomo en oro. Su fracaso se debi a muchas razones, entre ellas la falsedad de la suposicin de los cuatro elementos. El mtodo cientfico se origino en el siglo XVII con personas como Galileo, Francis Bacon, Robert Boyle e Isaac Newton. La clave del mtodo es que no se hacen suposiciones iniciales, sino que se llevan a cabo observaciones minuciosas de los fenmenos naturales. Cuando se han hecho observaciones suficientes como para que comience a emerger un patrn de comportamiento, se formula una generalizacin o ley natural que describa el fenmeno. Las leyes naturales son proposiciones concisas, frecuentemente en forma matemtica, acerca del comportamiento de la naturaleza. El proceso de observaciones que conducen a una proposicin de carcter general o ley natural recibe el nombre de razonamiento inductivo. Por ejemplo, a comienzos del siglo XVI el astrnomo polaco Nicols Coprnico (1473-1543), basndose en un estudio cuidadoso de las observaciones astronmicas, concluy que el planeta Tierra se mueve alrededor del sol segn una orbita circular, aunque en aquella poca se enseaba, sin ninguna base cientfica, que el sol y los otros cuerpos celestiales giraban alrededor de la Tierra. Podemos considerar la proposicin de Coprnico como una generalizacin o ley natural. Otro ejemplo de ley natural es laPag. 1-2 Prof. Edgar Valladares


desintegracin radiactiva que establece el tiempo que tardara una sustancia radiactiva en perder su actividad. Para probar una ley natural el cientfico disea una situacin controlada o experimento, para ver si las conclusiones que se deducen de la ley natural concuerdan con los resultados experimentales. El xito de una ley natural viene dado por su capacidad de sintetizar las observaciones y de predecir fenmenos nuevos. El trabajo de Copernico alcanz un gran xito porque Copernico fue capaz de predecir las posiciones futuras de los planetas con ms precisin que sus contemporneos. Sin embargo, no debemos considerar una ley natural como una verdad absoluta. Futuros experimentos pueden obligarnos a modificar la ley o a desecharla. Medio siglo despus, Johannes Kepler mejor las ideas de Copernico mostrando que los planetas no describen orbitas circulares sino elpticas. Una hiptesis es un intento de explicacin de una ley natural. Si la hiptesis es consistente con las pruebas experimentales, se la denomina teora. Sin embargo, podemos utilizar este trmino en un sentido ms amplio. Una teora es un modelo o una manera de examinar la naturaleza que puede utilizarse para explicar los fenmenos naturales y hacer predicciones sobre los mismos. Cuando se proponen teoras diferentes o contradictorias, se elige generalmente la que proporciona las mejores predicciones. Tambin se prefiere la teora que requiere el menor nmero de suposiciones, es decir, la teora ms simple. Cuando pasa el tiempo y se acumulan nuevas evidencias experimentales, la mayor parte de las teoras cientficas se modifican y algunas se desechan. El mtodo cientfico es la combinacin de las observaciones y experimentos junto con ia formulacin de leyes, hiptesis y teoras. No es acertado suponer que el xito cientfico esta garantizado si simplemente se siguen una serie de procedimientos semejantes a los de un libro de cocina. A veces los cientficos desarrollan un patrn de pensamiento en su campo del saber, conocido como un paradigma, cuyo xito es grande al principio, pero despus no lo es tanto. Puede ser necesario un nuevo paradigma. Por ejemplo, durante mucho tiempo se crey en psiquiatra que toda enfermedad mental era un producto de la mente y no del cuerpo. Un nuevo paradigma en psiquiatra reconoce que algunas enfermedades mentales estn causadas por desequilibrios qumicos corporales. Por ultimo, muchos descubrimientos se han hecho de forma accidental (como los rayos X, la radioactividad y la penicilina. por nombrar unos pocos). Estos son los descubrimientos casuales. El inventor americano Charles Goodyear estaba investigando en 1839 un tratamiento para el caucho natural que lo hiciese menos frgil en fro y menos pegajoso en caliente. En el transcurso de su trabajo, derram por accidente una mezcla de caucho y azufre sobre una placa caliente y descubri que el producto resultante tena exactamente las propiedades que estaba buscando. Por tanto, los cientficos (y los inventores) necesitan estar siempre alerta a las observaciones inesperadas. Quizs nadie ha sido ms consciente de esto que Louis Pasteur, que escribi "La casualidad favorece a la mente que esta preparada". El metodo cientifico es un proceso compuesto de tres pasos claramente para cualquier ciencia investigacin. Estos tres pasos son: 1. Hacer observaciones. Las observaciones pueden ser cualitativos (el cielo es azul, el agua es un lquido) o cuantitativa (el agua hierve a 100Pag. 1-3 Prof. Edgar Valladares


C, un libro de qumica general pesa cerca de 2 kilos). Una observacin cualitativa no implica un nmero. Una observacin cuantitativa (llamada medida) implica tanto un nmero y como una unidad. 2. Formulacin de la hiptesis. Una hiptesis es una posible explicacin para la observacin realizada. 3. Comprobacin de la hiptesis realizacin de experimentos. Un experimento se lleva a cabo para poner a prueba una hiptesis. Esto implica la recopilacin de informacin nueva que permite al cientfico decidir si la hiptesis es vlida, es decir, si es apoyado por la nueva informacin obtenida en el experimento. Los experimentos siempre produce nuevas observaciones, y esto nos lleva al proceso principio de nuevo. La siguiente figura nos muestra los pasos del mtodo cientfico en forma de flujo grama.

1.1.3 Propiedades de la materiaLas definiciones de qumica que se encuentran en los diccionarios incluyen los trminos materia, composicin y propiedades, como en la frase: "la qumica es la ciencia que trata de la composicin y propiedades de la materia". En esta seccin y en la siguiente se estudiaran algunas ideas bsicas sobre estos y otros trminos, esperando que con ello se comprenda mejor el objeto de la qumica.Pag. 1-4 Prof. Edgar Valladares


La materia es todo lo que ocupa espacio, tiene una propiedad llamada masa y posee inercia. Cada ser humano es un objeto material. Todos ocupamos espacio y describimos nuestra masa por medio de una propiedad relacionada con ella, nuestro peso. (La masa y el peso se describen con ms detalle en la Seccin 1.2.1) Todos los objetos que vemos a nuestro alrededor son objetos materiales. Los gases de la atmsfera, aunque invisibles, son ejemplos de la materia, ocupan espacio y tienen masa. La luz solar no es materia sino una forma de energa. Sin embargo, debemos esclarecer unos conocimientos antes de introducir el concepto de energa. La composicin se refiere a las partes o componentes de una muestra de materia y a sus proporciones relativas. El agua ordinaria est formada por dos sustancias ms simples, hidrogeno y oxigeno, presentes en determinadas proporciones fijas. Un qumico dira que la composicin en masa del agua es de 11,19 por ciento de hidrogeno y 88,81 por ciento de oxigeno. El peroxido de hidrgeno, sustancia utilizada como blanqueador y desinfectante, tambin esta formado por hidrogeno y oxigeno, pero tiene una composicin diferente. El peroxido de hidrogeno est formado por 5,93 por ciento de hidrogeno y 94,07 por ciento de oxigeno en masa. Las propiedades son las cualidades y atributos que podemos utilizar para distinguir una muestra de materia de otra. Pueden establecerse visualmente en algunos casos. As, podemos distinguir mediante el color entre el slido de color marrn rojizo, llamado cobre, y el slido de color amarillo, llamado azufre. Las propiedades de la materia se agrupan generalmente en dos amplias categoras: propiedades fsicas y propiedades qumicas. 1.1.3.1 Las propiedades y transformaciones fsicas Una propiedad fsica es la que tiene una muestra de materia mientras no cambie su composicin. Con un martillo se pueden preparar hojas delgadas o laminas de cobre. Los slidos que tienen esta propiedad se dice que son maleables. El azufre no es maleable. Si golpeamos un trozo de azufre con un martillo, el trozo se deshace en forma de polvo. EI azufre es frgil. Otras propiedades fsicas del cobre, que no tiene el azufre, son la capacidad de ser estirado en forma de alambre (ductilidad) y la capacidad de conducir el calor y la electricidad. Algunas veces una muestra de materia cambia su aspecto fsico, es decir, experimenta una transformacin fsica. En una transformacin fsica pueden cambiar algunas de las propiedades fsicas de la muestra de materia, pero su composicin permanece inalterada. Cuando el agua liquida se congela formndose agua slida (hielo), sin duda el agua parece diferente y, en muchos sentidos, lo es. Sin embargo permanece inalterada la composicin en masa del agua, 11.19 por ciento de hidrogeno y 88.81 por ciento de oxigeno. 1.1.3.2 Las propiedades y transformaciones qumicas En una transformacin qumica o reaccin qumica una o ms muestras de materia se convierten en nuevas muestras con composiciones diferentes. Por tanto, la clave para identificar unaPag. 1-5 Prof. Edgar Valladares


transformacin qumica es observar un cambio en la composicin. Cuando se quema un papel tiene lugar una transformacin qumica. El papel es un material complejo, pero sus componentes principales son carbono, hidrogeno y oxigeno. Los productos principales de la combustin son dos gases, uno de ellos formado por carbono y oxigeno (dixido de carbono) y el otro por hidrogeno y oxigeno (agua en forma de vapor). La capacidad de arder del papel es un ejemplo de propiedad qumica. Una propiedad qumica es la capacidad (o incapacidad) de una muestra de materia para experimentar un cambio en su composicin bajo ciertas condiciones. El zinc reacciona con una disolucin de acido clorhdrico producindose gas hidrogeno y una disolucin acuosa de cloruro de zinc. La capacidad del zinc para reaccionar con el acido clorhdrico es una de las propiedades qumicas caractersticas del zinc. La incapacidad del oro para reaccionar con el acido clorhdrico es una de las propiedades qumicas del oro. El sodio reacciona no solo con el acido clorhdrico sino tambin con el agua. El zinc, el oro y el sodio son similares en algunas de sus propiedades fsicas. Por ejemplo, todos ellos son maleables y buenos conductores del calor y la electricidad. Sin embargo, el zinc, el oro y el sodio son bastante diferentes en sus propiedades qumicas. El conocimiento de estas diferencias nos ayuda a comprender porque el zinc, que no reacciona con el agua, puede utilizarse para hacer clavos y piezas de tejados y canalones, mientras que el sodio no. Tambin podemos comprender porque el oro es apreciado por ser qumicamente inerte para hacer joyas y monedas; ni se oxida ni se altera. En nuestro estudio de la qumica veremos porque las sustancias tienen propiedades diferentes y como estas diferencias determinan el uso que hacemos de los materiales.

1.1.4 Clasificacin de la materiaComo se describir con mas detalle en el curso, la materia esta formada por unas unidades diminutas denominadas tomos. Actualmente sabemos que existen 115 tipos diferentes de tomos y toda la materia esta formada nicamente por estos 115 tipos. Estos 115 tipos de tomos son la base de los 115 elementos. Un elemento qumico es una sustancia formada solamente por un solo tipo de tomo. Los elementos conocidos comprenden desde sustancias comunes como el carbono, el hierro y la plata, hasta sustancias poco frecuentes como el lutecio y el tulio. En la naturaleza podemos encontrar aproximadamente 90 de estos elementos. El resto no aparecen de forma natural y solamenle podemos obtenerlos artificialmente. La tabla peridica es una gua de los elementos y ser estudiada ms adelante. Los compuestos qumicos son sustancias en las que se combinan entre si los tomos de diferentes elementos. Los cientficos han identificado millones de compuestos qumicos diferentes. En algunos casos podemos aislar una molcula de un compuesto. Una molcula es la entidad ms pequea posible en la que se mantienen las mismas proporciones de los tomos constituyentes que en el compuesto qumico. Una molcula de agua esta formada por tres tomos:Pag. 1-6 Prof. Edgar Valladares


dos tomos de hidrgeno unidos a un solo tomo de oxigeno. La molcula de peroxido de hidrogeno tiene dos tomos de hidrogeno y dos tomos de oxigeno; los tomos de oxigeno estn unidos entre si y hay un tomo de hidrogeno nido a cada tomo de oxigeno. En cambio, una molcula de la protena de la sangre llamada gamma globulina, esta formada por 19.996 tomos de solo cuatro tipos; carbono, hidrogeno, oxigeno y nitrgeno. La composicin y las propiedades de un elemento o compuesto son uniformes en cualquier parte de una muestra determinada, o en muestras distintas del mismo elemento o compuesto. Los elementos y compuestos se denominan sustancias (en sentido qumico, el termino sustancia debe utilizarse solamente para elementos y compuestos). Cuando se describen mezclas de sustancias se utilizan los trminos disolucin o mezcla homognea para mezclas cuya composicin y propiedades son uniformes en cualquier parte de una muestra determinada, pero pueden variar de una muestra a otra. Una determinada disolucin acuosa de sacarosa (azcar de cana) tiene un dulzor uniforme en cualquier parte de la disolucin, pero el dulzor de otra disolucin de sacarosa puede ser muy distinto si las proporciones de azcar y agua son diferentes. El aire ordinario es una mezcla homognea de varios gases, principalmente los elementos nitrgeno y oxigeno. El agua del mar es una disolucin de los compuestos agua, cloruro de sodio (sal) y muchos otros. La gasolina es una mezcla homognea o disolucin de docenas de compuestos. En las mezclas heterogneas, como la formada por arena y agua, los componentes se separan en zonas diferenciadas. Por tanto. la composicin y las propiedades fsicas varan de una parte a otra de la mezcla. Una salsa para ensalada, una losa de hormign y una hoja de una planta son todos ellos heterogneos. Generalmente, es fcil distinguir las mezclas heterogneas de las homogneas. La Figura siguiente muestra un esquema para clasificar la materia en elementos y compuestos y en mezclas homogneas y heterogneas.

1.1.4.1 Separacin de mezclas Los componentes de una mezcla pueden separarse mediante transformaciones fsicas adecuadas. Pensemos otra vez en la mezcla heterognea de arena y agua. Cuando echamos esta mezclaPag. 1-7 Prof. Edgar Valladares


en un embudo provisto de un papel de filtro poroso, el agua liquida pasa a travs del filtro y la arena queda retenida en el papel. Este proceso de separacin, de un slido del lquido en el que se encuentra en suspensin, recibe el nombre de filtracin. Por otra parte, no se puede separar una mezcla homognea (disolucin) de sulfato de cobre en agua por filtracin porque todos los componentes pasan a travs del papel. Sin embargo, podemos hervir la disolucin de sulfato de cobre en agua. El agua liquida pura se obtiene del vapor liberado al hervir la disolucin. Cuando se ha separado toda el agua, el sulfato de cobre permanece en el recipiente. Este proceso se denomina destilacin. Otro mtodo de separacin disponible para los qumicos modernos se basa en la distinta capacidad de los compuestos para adherirse a las superficies de varias sustancias slidas, como el papel o el almidn. Este es el fundamento de la tcnica de cromatografa. La separacin de la tinta en un filtro de papel. 1.1.4.2 Descomposicin de compuestos Un compuesto qumico mantiene su identidad durante las transformaciones fsicas pero puede descomponerse en sus elementos constituyentes por medio de transformaciones qumicas. Es ms difcil llevar a cabo la descomposicin de un compuesto en sus elementos constituyentes que la mera separacin fsica de las mezclas. La extraccin del hierro de los minerales de oxido de hierro requiere un alto homo. La obtencin de magnesio a partir de cloruro de magnesio a escala industrial requiere electricidad. Generalmente es ms fcil convertir un compuesto en otros compuestos mediante reaccin qumica, que separar un compuesto en sus elementos constituyentes. Por ejemplo, cuando se calienta el dicromato de amonio se descompone, formndose las sustancias oxido de cromo, nitrgeno y agua. Esta reaccin, que se utilizaba en las pelculas para simular un volcn. 1.1.4.3 Estados de la materia La materia suele encontrarse en uno de los tres estados: slido, lquido o gas. En un slido, los tomos o molculas estn en contacto prximo, a veces en disposiciones muy organizadas que se llaman cristales. Un slido ocupa un volumen de forma definida. En un lquido, los tomos o molculas estn generalmente separados por distancias mayores que en un slido. El movimiento de estos tomos o molculas proporciona al liquido una de sus propiedades ms caractersticas: la capacidad de fluir cubriendo el fondo y adoptando la forma del recipiente que lo contiene. En un gas las distancias entre tomos o molculas son mucho mayores que en un lquido. Un gas siempre se expande hasta llenar el recipiente que lo contiene. Dependiendo de las condiciones, una sustancia puede existir solo en uno de los estados de la materia, o puede estar en dos o tres estados. As, cuando el hielo de un vaso empieza aPag. 1-8 Prof. Edgar Valladares


derretirse, el agua esta en dos estados, el slido y el liquido (realmente en tres estados, si tenemos en cuenta el vapor del agua del aire en contacto con el vaso).

1.2 Medicin y sistemas de unidadesLa qumica es una ciencia cuantitativa. Esto significa que en muchos casos podemos medir una propiedad de una sustancia y compararla con un patrn que tenga un valor conocido de la propiedad. Expresamos la medida como el producto de un nmero y una unidad. La unidad indica el patrn con el que hemos comparado la cantidad medida. Cuando decimos que la longitud del campo de ftbol es de 100 yardas, queremos decir que el campo es 100 veces mas largo que un patrn de longitud llamado yarda (yd). En esta seccin introduciremos algunas unidades bsicas de medida que son importantes para los qumicos. El sistema cientfico de medidas se llama Systeme Internationale d'Unites (Sistema Internacional de Unidades) y de forma abreviada SI. Es una versin moderna del sistema mtrico, un sistema basado en la unidad de longitud llamada metro (m). El metro se defini originalmente como la diezmillonsima parte de la distancia del Ecuador al Polo Norte. Esta longitud se traslado a una barra metlica conservada en Paris. Desafortunadamente la longitud de la barra esta sometida a cambios con la temperatura y no puede reproducirse exactamente. El sistema SI sustituye la barra patrn del metro por una magnitud que puede reproducirse en cualquier sitio: 1 metro es la distancia recorrida por la luz en el vaco en 1/299 792 458 de un segundo. La longitud es otra de las siete magnitudes fundamentales del sistema SI (longitud, masa, tiempo, temperatura, cantidad de sustancia, intensidad de la corriente elctrica e intensidad luminosa). Cualquier otra magnitud tiene unidades que se derivan de estas siete. El sistema SI es un sistema decimal. Las magnitudes que difieren de la unidad bsica en potencias de diez se indican por medio de prefijos escritos antes de la unidad bsica. Por ejemplo, el prefijo kilo significa mil veces.

1.2.1 MasaMasa es la cantidad de materia de un objeto. En el SI la unidad de masa es el kilogramo (kg). El peso es la fuerza resultante de la tierra sobre la masa, su relacin con la masa se muestra en las siguientes expresiones matemticas,W m y W = g m Donde, W: peso g: aceleracin de gravedad m: masa

1.2.2 TiempoLa unidad de tiempo del SI es un segundo y esta basado actualmente el los relojes atmicos y es la duracin de 9 192 631Pag. 1-9 Prof. Edgar Valladares


770 ciclos de la radiacin emitida por los tomos del elemento cesio133.

1.2.3 TemperaturaLos patrones de medicin de la temperatura se fijaron arbitrariamente en puntos fijos; los ms usados son los puntos donde se funde el hielo y el punto a la que el agua hierve a presin atmosfrica estndar. Las tres escalas mas conocidas son Celsius, Fahrenheit y la Kelvin. Para el SI la escala usada es la Kelvin, donde 0K es igual a -273.15C. T ( K ) = t (C ) + 273.15 t (C ) = 5 [t ( F ) 32] 9

1.2.4 Unidades derivadasLas unidades derivadas son todas aquellas que se basan en las unidades fundamentales.

1.2.5 Incertidumbre de las medidasEn todas las medidas hay errores; y los errores se clasifican el Sistemticos: los errores inherentes a los instrumentos de medicin. Accidentales: los ocasionados por las limitaciones y errores de quien realiza la medicin. Tambin se tienen otros conceptos como la precisin y la exactitud. Precisin: es el grado de reproducibilidad de la magnitud medida. Exactitud: es la proximidad de una medida a un valor aceptable o valor real.

1.2.6 Cifras significativasEste concepto lo definiremos con unos ejemplos: 20.032 mts tiene 5 cifras significativas. 0.020032 km tiene 5 cifras significativas 4.500 x 103 mts tiene 4 cifras En pocas palabras es el nmero de digitos significativos en una medida o cantidad calculada.

1.2.7 Prefijo de la unidades del sistema internacionalEs importante para las magnitudes medidas el prefijo que tenga la unida utilizada para su medicin o calculo.Pag. 1-10 Prof. Edgar Valladares


Prefijo Tera Giga Mega kilo deci centi mili micro nano pico

Smbolo T G M k d c m n p

Significado / orden de magnitud 1012 109 106 103 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12

1.2.8 Otras unidadesEs frecuente encontrar unidades que no estn dentro de un sistema de unidades, pero son de uso comn por la comunidad en diferentes lugares del mundo. Ejemplos de esto son: Variable Volumen Volumen Longitud Longitud Longitud Presin Presin Smbolo ga bbl yd mi mmHg H2O Significado Galn Barril Yarda Milla Angstron Milmetro de mercurio Pulgada de agua

1.3 Densidad y composicin porcentual 1.3.1 DensidadLa masa y el volumen son magnitudes extensivas. Una magnitud extensiva depende de la cantidad de materia observada. Sin embargo, si se divide la masa de una sustancia por su volumen, se obtiene la densidad, una magnitud intensiva. Una magnitud intensiva es independiente de la cantidad de materia observada. Por tanto, laPag. 1-11 Prof. Edgar Valladares


densidad del agua pura a 25 C tiene un valor determinado, sea la de una muestra contenida en un matraz pequeo o la que llena una piscina. Las propiedades intensivas son especialmente importantes en los estudios de qumica porque suelen utilizarse para identificar las unidades bsicas SI de masa y volumen son kilogramos y metros cbicos, respectivamente, pero los qumicos generalmente expresan la masa en gramos y el volumen en centmetros cbicos o mililitros. La unidad de densidad ms frecuente es entonces gramos por centmetro cbico (g/cm3), o la unidad idntica a sta de gramos por mililitro (g/mL). La masa de 1,000 L de agua a 4 C es 1,000 kg. La densidad del agua a 4 C es 1000 g/1000 mL = 1,000 g/ mL. A 20 C, la densidad del agua es 0,9982 g/mL. La densidad es una funcin de la temperatura porque el volumen cambia con la temperatura mientras que la masa permanece constante. Uno de los motivos por los que preocupa el calentamiento de la Tierra es porque si la temperatura media del agua del mar aumenta, el agua ser menos densa. El volumen del agua del mar debe aumentar y el nivel del mar se elevar, sin considerar que el hielo empiece a fundirse en los casquetes polares. La densidad de una sustancia depende, adems de la temperatura, del estado de la materia. En general, los slidos son ms densos que los lquidos y ambos son ms densos que los gases. Sin embargo, existen coincidencias importantes. A continuacin se dan los intervalos de los valores numricos generalmente observados para las densidades. Estos datos pueden ser tiles para resolver problemas. Densidades de slidos: desde 0,2 g/cm3 hasta 20 g/cm3. Densidades de lquidos: desde 0,5 g/mL hasta 3-4 g/mL. Densidades de gases: la mayora del orden de unos pocos gramos por litro. En general, las densidades de los lquidos se conocen con ms precisin que las de los slidos, ya que stos pueden tener defectos en sus estructuras microscpicas. Las densidades de los elementos y los compuestos tambin se conocen con ms precisin que las de los materiales con composicin variable, como la madera o el caucho. Una consecuencia importante de las diferentes densidades de slidos y lquidos es que los lquidos y slidos de densidad baja flotan en un lquido de densidad alta (siempre que los lquidos y slidos no se disuelvan unos en otros).

densidad ( ) =

masa volumen

La densidad en las secuencias de conversin Si medimos la masa de un objeto y su volumen, una simple divisin nos da su densidad. Una vez que conocemos la densidad de unPag. 1-12 Prof. Edgar Valladares


objeto, podemos utilizarla como factor de conversin para obtener la masa o el volumen del objeto. Por ejemplo, un cubo de osmio de 1,000 cm de arista pesa 22,48 g. La densidad del osmio (el ms denso de los elementos) es 22,48 g/cm3. Cual ser la masa de otro cubo de osmio que tiene 1,25 pulgadas de arista (1 pulgada = 2,54 cm)? Para resolver este problema podemos empezar con la relacin entre el volumen de un cubo y la longitud de su arista, V = l3.

1.3.2 El porcentaje como un factor de conversinAnteriormente se describieron la composicin, como una caracterstica para identificar una cierta cantidad de materia, y el porcentaje, como una forma habitual de expresar la composicin. La palabra latina centum significa 100. El porcentaje (percentum) es el nmero de partes de un componente en 100 partes del total. Decir que una muestra de agua de mar contiene 3,5 por ciento en masa de cloruro de sodio, significa que por cada l00g de agua de mar hay presentes 3,5 g de cloruro de sodio. Establecemos las relaciones en gramos ya que hablamos de porcentaje en masa.

1.4 tomos y teora atmicaHace mas de 200 aos, los qumicos desarrollaron las primeras teoras de la estructura atmica moderna, pero en el siglo V a.c. el filsofo griego Demcrito expres la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partculas pequeas e indivisibles que llam tomos (que significa indestructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demcrito no fue aceptada por muchos de sus contemporneos (entre ellos. Platn y Aristteles), sta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones cientficas apoyaron el concepto del "atomismo", lo que condujo, de manera gradual, a las definiciones modernas de elementos y compuestos

1.4.1 Primeros descubrimientos qumicos y teora atmica1.4.1.1 Ley de conservacin de la masa En 1774, Antoine Lavoisier realiz un experimento calentando un recipiente de vidrio cerrado que contena una muestra de estao y aire. Encontr que la masa antes del calentamiento (recipiente de vidrio + estao + aire) y despus del calentamiento (recipiente de vidrio + estao calentado + el resto de aire), era la misma. Este experimento es la base de la ley de conservacin de la masa. El enunciado de la ley es: La masa total de las sustancias presentes despus de una reaccin qumica es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reaccin. 1.4.1.2 Ley de la composicin constante En 1799, Joseph Proust estableci que Cien libras de cobre, disuelto en acido sulfrico o ntrico y precipitado porPag. 1-13 Prof. Edgar Valladares


carbonato de sodio o potasio, producen invariablemente 180 libras de carbonato de color verde. Esta observacin y otras similares constituyeron la base de la ley de la composicin constante, o ley de las proporciones definidas. El enunciado de la ley es: Todas las muestras de un compuesto tienen la misma composicin, es decir, las mismas proporciones en masa de los elementos constituyentes. 1.4.1.3 Teora atmica de Dalton En 1.808, un cientfico ingls, el profesor John Dalton, formul una definicin precisa de las unidades indivisibles con las que est formada la materia y que llamamos tomos. El trabajo de Dalton marc el principio de la era de la qumica moderna. Las hiptesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teora atmica de bailn, pueden resumirse como sigue: 1.- Los elementos estn formados por partculas extremadamente pequeas llamadas tomos. Todos los tomos de un mismo elemento son idnticos, tienen igual tamao, masa y propiedades qumicas. Los tomos de un elemento son diferentes a los tomos de lodos los dems elementos. 2. Los compuesto.-, estn formados por tomos de ms de un elemento. En cualquier compuesto, la relacin del nmero de tomos entre dos de los elementos presentes siempre es un nmero entero o una fraccin sencilla. 3. Una reaccin qumica implica slo la separacin, combinacin o reordenamiento de los tomos: nunca supone la creacin o destruccin de los mismos. El concepto de Dalton sobre un tomo es mucho ms detallado y especfico que el concepto de Demcrito. La primera hiptesis establece que los tomos de un elemento son diferentes de los tomos de todos los dems elementos. Dalton no intent describir la estructura o composicin de los tomos. Tampoco tena idea de cmo era un tomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrgeno y el oxgeno, solo se puede explicar a partir de la idea de que los tomos de hidrgeno son diferentes de los tomos de oxgeno.

1.4.2 Electrones y fsica atmicaEn estos momentos podemos adquirir una comprensin cualitativa de la estructura atmica sin tener que seguir el curso de los descubrimientos que procedieron a la fsica atmica. Sin embargo, siPag. 1-14 Prof. Edgar Valladares


necesitamos algunas ideas claves sobre interrelacionados de electricidad y magnetismo.

los

fenmenos

Fig. 1.1 El descubrimiento de los electrones esta relacionada con los CRT (tubo de rayos catdicos). En la dcada de 1890, muchos cientficos estaban interesados en el estudio de la radiacin, la emisin y transmisin de la energa a travs del espacio en forma de ondas. La informacin obtenida por estas investigaciones contribuy al conocimiento de la estructura atmica. Para investigar sobre este fenmeno se utiliz un tubo de rayos catdicos, precursor de los tubos utilizados en los televisores (Figura 1.2 (c), mostrada en la prxima pgina). Consta de un tubo de vidrio del cual se ha evacuado casi todo el aire. Si se colocan dos placas metlicas y se conectan a una fuente de alto voltaje. La placa con carga negativa, llamada ctodo, emite un rayo invisible. Este rayo catdico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada nodo, que atraviesa por una perforacin y contina su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo alcanza el extremo, cubierto de una manera especial, produce una fuerte fluorescencia o luz brillante. En algunos experimentos se colocaron, por fuera del tubo de rayos catdicos, dos placas cargadas elctricamente y un electroimn (vase la figura 1.2 (a)). Cuando se conecta el campo magntico y el campo elctrico permanece desconectado, los rayos catdicos alcanzan el punto superior del tubo. Cuando est conectado solamente el campo elctrico, los rayos llegan al punto inferior. Cuando tanto el campo magntico corno el elctrico estn desconectados, o bien cuando ambos estn conectados pero se balancean de forma que se cancelan mutuamente, los rayos alcanzan el punto central del tubo. De acuerdo con la teora electromagntica, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imn y puede interactuar con los campos magnticos y elctricos que atraviesa. Debido a que los rayos catdicos son atrados por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en partculas con carga negativa.Pag. 1-15 Prof. Edgar Valladares


Actualmente, estas partculas con carga negativa se conocen como electrones.. El fsico ingls J. J. Thomson utiliz un tubo de rayos catdicos y su conocimiento de la teora electromagntica para determinar la relacin entre la carga elctrica y la masa de un electrn. El nmero que obtuvo fue de -1.76 x 108 C/g, en donde C es la unidad de carga elctrica, en coulombs.

Fig. 1.2 Ms tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan llev a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrn con gran precisin. Su trabajo demostr que la carga de cada electrn era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analiz el movimiento de minsculas gotas de aceite que adquiran carga esttica a partir de los iones del aire. Suspenda en el aire las gotas cargadas mediante la aplicacin de un campo elctrico y segua su movimiento con un microscopio (figura 1.3). Al aplicar sus conocimientos sobre electrosttica, Millikan encontr que la carga de un electrn es de -1.6022 x 10-19 C. A partir de estos datos calcul la masa de un electrn: carga 1.6022 10 -19 masa de un electrn = = = 9.10 10 28 gr 8 carga/masa - 1.76 10

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Fig. 1.3 Una vez considerado el electrn como una partcula fundamental de la materia existente en todos los tomos, los fsicos atmicos empezaron a especular sobre cmo estaban incorporadas estas partculas dentro de los tomos. El modelo comnmente aceptado era el propuesto por J. L Thompson, quien pens que la carga positiva necesaria para contrarrestar las cargas negativas de los electrones en un tomo neutro estaba en forma de una nube difusa. Sugiri que los electrones flotaban en esta nube difusa de carga positiva, semejante a una masa de gelatina con los electrones a modo de "frutas" embebidos en ella. A este modelo se le dio el nombre de budn de ciruelas por su semejanza con un conocido postre ingls. Los rayos X y la radiactividad La investigacin de tos rayos catdicos tuvo muchas consecuencias importantes. En particular, se descubrieron dos fenmenos naturales de enorme importancia terica y prctica en el transcurso de otras investigaciones. En 1895, Wilhelm Roentgen (1845-1923) observ que cuando los tubos de rayos catdicos estaban funcionando, algunos materiales fuera de los tubos, emitan luz o fluorescencia. Demostr que esta fluorescencia era producida por la radiacin emitida por los tubos de rayos catdicos. Debido a la naturaleza desconocida de esta radiacin, Roentgen acu el trmino de rayos X. Ahora identificamos los rayos X como una radiacin electromagntica de alta energa. Antoine Henri Becquerel (1852-1908) asoci los rayos X con la fluorescencia, preguntndose si los materiales con fluorescencia natural produciran rayos X. Para responder a esta pregunta, envolvi una placa fotogrfica con papel negro, coloc una moneda sobre el papel, cubri la moneda con un material fluorescente que contena uranio y expuso todo el conjunto a la luz solar. Cuando revel la pelcula, poda verse una imagen ntida de la moneda. ElPag. 1-17 Prof. Edgar Valladares


material fluorescente haba emitido radiacin (presumiblemente rayos X) que atraves el papel e impresion la pelcula. En una ocasin, debido a que el cielo estaba cubierto. Becquerel coloc el conjunto del experimento dentro de un cajn durante unos das, esperando a que el tiempo mejorase. Al reanudar el experimento, Becquerel decidi sustituir la pelcula fotogrfica original, suponiendo que poda haber sido ligeramente impresionada. Sin embargo, revel la pelcula original y, en lugar de la imagen dbil esperada, encontr una imagen muy ntida. La pelcula haba sido fuertemente impresionada. El material con contenido de uranio haba emitido radiacin de forma continua incluso cuando no era fluorescente. Becquerel haba descubierto la radiactividad. Ernest Rutherford (1871-1937) identific dos tipos de radiacin procedente de los materiales radiactivos, alfa () y beta (). Las partculas alfa llevan dos unidades fundamentales de carga positiva y tienen la misma masa que los tomos de helio. Las partculas alfa son idnticas a los iones He2+. Las partculas beta son partculas con carga negativa, producidas por transformaciones que ocurren dentro de los ncleos de los tomos radiactivos y tienen las mismas propiedades que los electrones. Una tercera forma de radiacin que no se ve afectada por un campo elctrico fue descubierta por Paul Villard en 1900. Esta radiacin, llamada rayos gamma (), no est formada por partculas: es radiacin electromagntica de energa extremadamente alta y penetrante. A comienzos del siglo XX fueron descubiertos nuevos elementos radiactivos, principalmente por Marie y Pierre Curie. Rutherford y Frederick Soddy hicieron otro hallazgo importante: las propiedades qumicas de un elemento radiactivo cambian a medida que se produce la desintegracin radiactiva. Esta observacin sugiere que la radiactividad implica cambios fundamentales a nivel subatmico: en la desintegracin radiactiva un elemento se transforma en otro, un proceso que se llama transmutacin.

1.4.3 tomo nuclearEn 1909, Rutherford y su ayudante Hans Geiger, iniciaron una lnea de investigacin utilizando partculas como sondas para estudiar la estructura interna de los tomos. Basndose en el modelo de budn de ciruelas de Thomson, Rutherford esperaba que un haz de partculas pasara a travs de lminas delgadas de materia sin desviarse pero que algunas partculas deberan dispersarse o desviarse algo al encontrarse con electrones. Estudiando estas liguras de dispersin, esperaban sacar alguna conclusin sobre la distribucin de los electrones en los tomos. El aparato utilizado en estos estudios est representado en la Figura 1.4. Las partculas alfa se detectaban mediante los destellos de luz que producan cuando chocaban con una pantalla de sulfuro de zinc montada al final de un telescopio. Cuando Geiger y Emst Marsden,Pag. 1-18 Prof. Edgar Valladares


un estudiante, bombardearon lminas muy finas de oro con partculas , lo que observaron fue lo siguiente: La mayor parte de las partculas atravesaban la lmina sin desviarse. Algunas partculas se desviaban ligeramente. Unas pocas (alrededor de una por cada 20 000) se desviaban mucho al atravesar la lmina. Un nmero semejante no atraves la lmina, sino que rebot en la misma direccin por la que haba llegado.

Fig. 1.4 El amplio ngulo de dispersin sorprendi enormemente a Rutherford. Algunos aos despus coment que esta observacin fue ''tan creble como si despus de haber disparado un proyectil de 15 pulgadas a un trozo de papel de seda, ste hubiera vuelto y le hubiera golpeado". No obstante, hacia 1911, Rutherford ya tena una explicacin. La bas en un modelo del tomo conocido como el tomo nuclear, que tiene las siguientes caractersticas: 1. La mayor parte de la masa y toda la carga positiva de un tomo est centrada en una regin muy pequea denominada el ncleo. La mayor parte del tomo es un espacio vaco. 2. La magnitud de la carga positiva es diferente para los distintos tomos y es aproximadamente la mitad del peso atmico del elemento. 3. Fuera del ncleo existen tantos electrones como unidades de carga positiva hay en el ncleo. El tomo en su conjunto es elctricamente neutro. Protones y neutrones El tomo nuclear de Rutherford sugiri la existencia en los ncleos de los tomos de partculas fundamentales de la materia cargadas positivamente. El mismo Rutherford descubri estas partculas denominadas protones en 1919, al estudiar la dispersin de las partculas por tomos de nitrgeno en el aire. Los protones eran liberados como resultado de colisiones entre partculas y los ncleos de los tomos de nitrgeno. Aproximadamente en estaPag. 1-19 Prof. Edgar Valladares


misma poca, Rutherford predijo la existencia en el ncleo de partculas fundamentales elctricamente neutras. En 1932, James Chadwick demostr la existencia de una nueva radiacin penetrante que consista en haces de partculas neutras. Estas partculas, llamadas neutrones, procedan de los ncleos de los tomos. Propiedades de las tres partculas fundamentales Masa Carga Partcula Kg amu/uma Coulomb (e) -31 -19 Electrn 9.109 x 10 0.000548 1.602 x 10 -1 -27 -19 Protn 1.673 x 10 1.00073 +1.602 x 10 +1 -27 Neutrn 1.675 x 10 1.00087 0 0 Dimetro atmico 10-8 cm = 1 / Dimetro nuclear 10-13 cm Tabla 1.1

1.4.4 Elementos qumicosAhora que hemos adquirido algunas ideas fundamentales sobre la estructura atmica, podemos discutir de forma sistemtica el concepto de elemento qumico. Todos los tomos de un determinado elemento tienen el mismo nmero atmico, Z. Es decir, todos los tomos con el mismo nmero de protones, son tomos del mismo elemento. Actualmente, los 115 elementos conocidos incluyen todos los nmeros atmicos desde Z=1 a 112, y Z=114, 116 y 118. Cada elemento tiene un nombre y un smbolo caracterstico. Los smbolos qumicos son abreviaturas de una o dos letras de su nombre, normalmente en ingls. La primera letra del smbolo (pero nunca la segunda) es mayscula; por ejemplo: carbono, C; oxgeno, O; nen, Ne; y silicio, Si. Algunos elementos conocidos desde la antigedad tienen smbolos basados en sus nombres en latn, tales como Fe para el hierro (ferrum) y Pb para el plomo (plumbum). El elemento sodio tiene el smbolo Na, basado en el nombre en latn, del carbonato de sodio, natrium. El potasio tiene el smbolo K, basado en el nombre en latn, del carbonato de potasio, kalium. El smbolo para el tungsteno, W, est basado en el alemn, wolfram. Los elementos posteriores al uranio (Z = 92) no se encuentran en la naturaleza, y deben ser sintetizados en aceleradores de partculas. Los elementos con los nmeros atmicos ms altos, se han obtenido nicamente en un nmero limitado de ocasiones, y slo unos pocos tomos a la vez. Han surgido controversias inevitables sobre cul fue el equipo investigador que descubri alguno de los nuevos elementos, y sobre si el descubrimiento tuvo lugar realmente. Sin embargo, se ha alcanzado un acuerdo internacional sobre los 109 primeros elementos y cada uno de ellos tiene ahora un nombre y un smbolo oficial.



Istopos Para representar la composicin de cualquier tomo particular, necesitamos especificar el nmero de protones (p), neutrones (n), y electrones (e). Podemos hacer esto con el siguiente simbolismo

Este esquema indica que el tomo es del elemento E y que tiene un nmero atmico Z y un nmero de masa o msico A. Por ejemplo, un tomo de aluminio, representado por 27 Al tiene 13 protones y 14 13 neutrones en su ncleo, y 13 electrones fuera del ncleo. (Recuerde que un tomo tiene el mismo nmero de electrones que de protones). Contrariamente a lo que Dalton pens, ahora sabemos que los tomos de un elemento no tienen todos necesariamente la misma masa. En 1912, J. J. Thomson midi las relaciones masa-carga de los iones positivos formados en el gas nen. Encontr que aproximadamente el 91 por ciento de los tomos tenan una masa determinada y que los tomos restantes eran aproximadamente un 10 por ciento ms pesados. Todos los tomos de nen tienen diez protones en su ncleo y la mayor parte de ellos, tiene adems diez neutrones. Sin embargo, unos pocos tomos de nen tienen 11 neutrones y algunos tienen 12. Podemos representar estos tres tipos diferentes de tomos de nen como20 10

Ne

21 10

Ne

22 10

Ne

Todos los tomos que tienen el mismo nmero atmico (Z) pero diferentes nmeros de masa (A), se llaman istopos. De todos los 20 tomos de Ne de la Tierra, el 90,51 por ciento son 10 Ne . Los21 22 porcentajes de 10 Ne y 10 Ne son 0,27 y 9,22, respectivamente. Estos porcentajes: 90,51; 0,27 y 9,22 son los porcentajes de abundancia natural de los tres istopos de nen. A veces los nmeros de masa de los istopos se incorporan a los nombres de los elementos, como nen-20 (lase nen veinte). El porcentaje de abundancia natural de los istopos se da en base a su nmero y no a su masa. As, de cada 10.000 tomos de Ne, 9051 son tomos de nen-20. Algunos elementos, tal como existen en la naturaleza, contienen un nico tipo de tomos y por tanto no tienen istopos naturales. El aluminio, por ejemplo, est formado nicamente por tomos de aluminio-27.

Iones Cuando un tomo pierde o gana electrones, la especie formada es un in y lleva una carga neta. Como el electrn tiene carga negativa, cuando se aaden uno o ms electrones a un tomo elctricamente neutro, se forma un in cargado negativamente. Al perderPag. 1-21 Prof. Edgar Valladares


electrones, se produce un in cargado positivamente. El nmero de protones no cambia cuando un tomo se convierte en un ion. Por ejemplo, 20Ne+ y 22Ne2+ son iones. El primero tiene diez, protones, diez neutrones y 9 electrones. El segundo tambin tiene diez protones, pero tiene 12 neutrones y 8 electrones. La carga de un in es igual al nmero de protones menos el nmero de electrones. Es decir

Masas isotpicas No podemos determinar la masa de un tomo individual nicamente sumando las masas de sus partculas fundamentales. Cuando los protones y neutrones se combinan para formar un ncleo, una cantidad muy pequea de la masa original se convierte en energa y se desprende. Pero no se puede predecir el valor de esta energa llamada energa nuclear. Por consiguiente, la determinacin de las masas de tomos individuales es algo que debe hacerse experimentalmente de la siguiente manera: Se elige arbitrariamente un tomo y le asignamos una cierta masa. Por acuerdo internacional, este estndar es un tomo del istopo carbono-12, al que se asigna una masa exactamente de 12 unidades de masa atmica, es decir, 12 u. A continuacin determinamos las masas de otros tomos en relacin al carbono-12. Para hacer esto utilizamos un espectrmetro de masas. En este dispositivo, un haz de iones gaseosos pasa a travs de campos elctricos y magnticos y se separa en sus componentes de diferente masa. Los iones separados se enfocan a un instrumento de medida que registra su presencia y sus cantidades. Aunque los nmeros de masa son nmeros enteros, las masas reales de los tomos individuales (en unidades de masa atmica, u) nunca son nmeros exactamente enteros, excepto para el carbono12. Sin embargo, tienen un valor muy prximo a los correspondientes nmeros de masa. Esto significa que podemos esperar que la masa del oxgeno-16 tenga un valor muy prximo a 16 u.

1.4.5 Masas atmicasEs importante entender que la masa atmica es la masa de un tomo en unidades de masa atmica (u o uma); entendiendo como unidad de masa atmica a la doceava (1/12) parte de la masa de un tomo de carbono-12. En una tabla de masas atmicas el valor que se encuentra para el carbono es 12,011, aunque la masa atmica estndar es exactamente 12. Por qu existe esta diferencia? La masa atmica estndar est basada en una muestra de carbono que contiene solamente tomos de carbono-12, mientras que el carbono quePag. 1-22 Prof. Edgar Valladares


existe en la naturaleza contiene tambin algunos tomos de carbono-13. La existencia de estos dos istopos es la causa de que la masa atmica observada sea mayor de 12. La masa atmica (peso)* de un elemento es la media de las masas isotpicas, ponderada de acuerdo a la abundancia en la naturaleza de los istopos del elemento. En un valor medio ponderado debemos dar ms importancia (dar mayor peso) a la magnitud que representa al istopo con mayor abundancia. Puesto que los tomos de carbono12 son mucho ms, abundantes que los de carbono-13, la media e ponderada debe estar mucho ms prxima a 12 que a 13. Este es el resultado que se obtiene cuando se aplica la siguiente ecuacin general, donde el lado derecho de la ecuacin incluye un trmino para cada istopo natural.masa abundancia del istopo x del istopo (1) (1) masa abundancia del istopo x del istopo (2) (2)

masa atmica de un elemento =

+

+ ..

El espectro de masas del carbono muestra que el 98,892 por ciento de los tomos de carbono son decarbono-12 con una masa de 12 u exactamente, y el 1,108 por ciento son de carbono-13 con una masa de 13,00335 u. Otro importante concepto que debe tenerse es el de masa molecular, ya que los compuestos estn conformados por molculas. Se entiende como masa molecular la suma de las masas atmicas presentes en la molcula.

1.4.6 Concepto de mol y constante de AvogadroEl uso ms frecuente de la tabla peridica ser, sin duda, para enumerar las masas atmicas. En los siguientes captulos aprenderemos que las masas atmicas son esenciales para determinar la composicin de los compuestos qumicos y las cantidades de sustancia que se producen en las reacciones qumicas. Sin embargo, en esta unidad introducimos otro concepto que es tan fundamental como la masa atmica. Desde la poca de Dalton, los qumicos han reconocido la importancia de los nmeros relativos de los tomos, como cuando se establece que dos tomos de hidrgeno y un tomo de oxgeno se combinan para formar una molcula de agua. Sin embargo, no podemos contar fsicamente los tomos de una determinada muestra, en el sentido usual del trmino. Debemos recurrir a otras medidas, normalmente la masa. Esto significa que necesitamos una relacin entre la masa medida de un elemento y algn nmero de tomos conocido aunque no se pueda contar. Considere un ejemplo prctico de sustitucin de la masa por un nmero determinado de artculos: si quiere colocar tablas nuevas en el suelo de una cabaa de montaa, necesita un cierto nmero de clavos. Sin embargo, siPag. 1-23 Prof. Edgar Valladares


tiene alguna idea de lo que pesan los clavos, puede comprarlos por kilogramos. La magnitud SI que describe una cantidad de sustancia relacionndola con un nmero de partculas de esa sustancia se denomina mol. Un mol es una cantidad de sustancia que contiene el mismo nmero de entidades elementales que el nmero de tomos de carbono-12 que hay en una cantidad de 12 g exactamente de carbono-12. El "nmero de entidades elementales (tomos, molculas,...)" en un mol es la constante de Avogadro, NA.

N A = 6.02214199 10 23 mol 1Con frecuencia redondearemos el valor de NA a 6,022x1023 mol-1, o incluso a 6.02x1023 mol-1. La unidad mol-1 significa que las entidades que se cuentan son las que estn presentes en un mol. Utilizacin del concepto de mol en los clculos A lo largo del texto, el concepto de mol nos proporcionar factores de conversin para la resolucin de problemas. En cada nueva situacin, analizaremos cmo aplicar el concepto de mol. Por ahora, utilizaremos la relacin entre nmero de tomos y el mol. Considere lo siguiente: 1 mol de S = 6,022 X 1023 tomos de S = 32,07 g de S. Esto nos permite escribir los factores de conversin

1 mol S 6.022 10 23 tomos S

y

32.07 g S 1 mol S

Es importante en este punto entender el concepto de masa molar (M) utilizando las conversiones mostradas anteriormente. Las sustancias qumicas (elementos y compuestos) son la base de clasificacin de la materia debido a que su comportamiento ha sido estudiado en detalle en base a su composicin qumica; para el caso de los elementos la composicin es de un nico tipo de tomos y los compuestos tienen una composicin que contiene varios tipos de tomos. Por ello al conocer la composicin de una sustancia podemos calcular o estimar algunos valores relacionados con la masa molar de los elementos conocidos en la actualidad; por ello es clave entender que es la masa molar. La masa molar (M) es la masa de un nmero de tomos o molculas igual al nmero de Avogadro. Para hacerlo sencillo es la masa de un mol de una sustancia. Las masas mostradas en las tablas peridicas son las masas atmicas promedio de todos los istopos de cada uno de los elementos qumicos y estn normalmente expresadas en unidades de masa atmica (uma) que son a fines prcticos equivalentes a gramos por mol.



La siguiente figura ayuda a entender la relacin entre los conceptos explicados anteriormente.

1.5 Ejercicios y preguntas 1.5.1 Preguntas1. Defina o explique con sus propias palabras los siguientes trminos o smbolos a. m3 b. Porcentaje en masa c. C d. Densidad e. Elemento f. Materia g. Ley natural h. Teora i. Masa j. Masa molar k. Masa atmica l. Masa molecular m. Unidad de masa atmica n. Nmero de Avogadro o. Peso p. Unidades fundamentales q. Mezcla r. Sustancia s. Compuesto t. Precisin u. Hiptesis v. Unidad intensiva w. Unidad derivada 2. Realice las siguientes conversiones a. 1.55Kg=______gr b. 0.876m3=_______cc c. 1.42lb=______gr d. 28Lt=______cc e. 456.5Lt=______m3 f. 34min=______seg g. 0.028km=______cmPag. 1-25 Prof. Edgar Valladares


3. Indique si cada una de las siguientes muestras de materia es una sustancia o una mezcla; y en el caso de ser una mezcla, si es homognea o heterognea. a. Hielo b. Jugo de naranja c. Sal de ajo d. Azcar y arena e. Limaduras de hierro y virutas de madera f. Astilla de madera g. Tinta roja h. Agua desionizada 4. Clasifique como elemento, compuesto o mezcla. a. Platino b. Sal de mesa c. Salsa de soya d. Azcar

1.5.2 Ejercicios1. Una muestra de 2.18Lt de acido butrico, sustancia presente en la mantequilla rancia, tiene una masa de 2088 gr. Cul es la densidad del acido butrico en gramos por mililitro? 2. Un fertilizante contiene 21 por ciento en masa de nitrgeno. Qu masa de este fertilizante, en kilogramos, se necesita para disponer de 775 gr de nitrgeno? 3. Para determinar la densidad de la acetona, se pesa dos veces un bidn de 55 gal. Este bidn pesa 75.0 lb cuando esta vacio. Cuando se llena con acetona el bidn pesa 437.5 lb Cul es la densidad de la acetona en gr por mililitro? 4. Un Boeing 767 debe repostar para volar desde Montreal a Edmonton. Puesto que el instrumento calibrado de combustible del avin no funcionaba, un mecnico utiliz una varilla para determinar el volumen de combustible que quedaba en el avin, que fue de 7682 Lt. El avin necesita 22,300 Kg de combustible para el viaje. Para determinar el volumen necesario de combustible el piloto pregunt el factor de conversin necesario para convertir un volumen de combustible en una masa de combustible. El mecnico dio el factor de 1.77. Suponiendo que este factor estaba en unidades mtricas (Kg/Lt), el piloto calcul que le debera aadirse un volumen de 4916 Lt y aadi ese volumen. Como consecuencia, el 767 agot su combustible y debi realizar un aterrizaje forzoso en el aeropuerto de Gimli cerca de Winnipeg. El error se debi a que el factor 1.77 estaba en unidades de lb/Lt. Qu volumen de combustible debera haberse aadido en Lt? 5. Para determinar el volumen de un recipiente de vidrio de forma irregular, el recipiente se pesa vaco (121.3 gr) y lleno de tetracloruro de carbono (283.2 gr) Cul es la capacidad enPag. 1-26 Prof. Edgar Valladares


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mililitros, de este recipiente irregular, dado que la densidad del tetracloruro de carbono es 1.59 gr/mL ? Una disolucin acuosa que contiene 28.0 por ciento en masa de sacarosa, tiene una densidad de 1.118 gr/mL Qu masa de sacarosa, en gramos, esta contenida en 2.75 L de esta solucin? Una disolucin contiene 12.62 por ciento en masa de sacarosa Qu masa de esta disolucin, en gramos, se necesita para disponer de 1.00 Kgr de sacarosa? La densidad el aluminio es 2.70 gr/cm3. Un trozo cuadrado de aluminio de 228.6 mm de lado pesa 2.568 gr Cul es el espesor de esta lamina de aluminio? Una bola de acero inoxidable posee un radio de 6.35 mm y una densidad 7.75gr/cm3. El hierro es el principal elemento en el acero y el carbono es un elemento minoritario clave. Dicha bola contiene 0.25 por ciento de carbono en masa. Dado que el porcentaje de abundancia natural de 13C es 1.108 por ciento 6 Cuntos tomos de 13C estn presentes en dicha bola?, si el peso atmico del C es 12.011. En la sangre normal hay aproximadamente 5.4 x 109 glbulos rojos por mililitro. El volumen de un glbulo rojo es aproximadamente 90,0 x 10-12 cm3, y la densidad de un glbulo rojo es 1.096 gr/mLt. Cuntos litros de sangre completa seran necesarios para obtener 0.5 Kgs de glbulos rojos? El cloro se usa para desinfectar las piscinas. Sun concentracin aceptada para este propsito es de 1 ppm de cloro, o sea, 1 gramo de cloro por milln de gramos de agua. Calcule el volumen de una solucin de cloro (en mililitros) que debe agregar a su piscina el propietario si la solucin contiene 6.0 % de cloro en masa y la piscina contiene 2.0 x 104 galones de agua. Recuerde que 1 Galn = 3.79 Lt; densidad de ambos lquidos = 1.0 gr/mLt. Un termmetro con escala Fahrenheit y otro con escala Celsius se introducen en el mismo medio. A que temperatura Celsius, corresponde una lectura numrica en el termmetro Fahrenheit? a) Igual a la del termmetro Celsius. b) Igual en magnitud pero signo opuesto al Celsius. c) Doble de la del termmetro Celsius. Las reservas mundiales totales de petrleo en energa significan 2.0 x 1022 Joules. El ritmo actual de consumo de energa proveniente del petrleo es 1.8 x 1020 Joules/ao. Si el ritmo de consumo no cambia Cunto tardarn en agotarse las reservas? El istopo 28Si tiene una masa de 27.997 uma. Para 10 gr de 28Si calcule. a) nmero de moles, b) nmero de tomos, c) nmero de protones, neutrones y electrones.

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Qumica General Unidad II Configuracin electrnica y tabla peridica

2 Configuracin electrnica y tabla peridica2.1 Tabla peridicaMs de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este periodo los qumicos observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas entre ellos. El reconocimiento de las regularidades peridicas en las propiedades fsicas y en el comportamiento qumico, as como la necesidad de organizar la gran cantidad de informacin disponible sobre la estructura y propiedades de las sustancias elementales, condujeron al desarrollo de la tabla peridica, una tabla en la que se encuentran agrupados los elementos que tienen propiedades qumicas y fsicas semejantes. En la figura 2.1 se muestra la tabla peridica moderna, en la cual los elementos estn acomodados de acuerdo con su nmero atmico (que aparece sobre el smbolo del elemento), en filas horizontales, llamadas periodos, y en columnas verticales, conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades qumicas. Observe que los elementos 110 a 112, 114, 116 y 118 se han sintetizado recientemente, razn por la cual todava carecen de nombre.* Los elementos se dividen en tres categoras: metales, no metales y metaloides. Un metal es un buen conductor del calor y la electricidad; mientras que un no metal generalmente es mal conductor del calor y la electricidad. Un metaloide presenta propiedades intermedias entre los metales y los no metales. En la figura 2.1 se observa que la mayora de los elementos que se conocen son metales; solamente 17 elementos son no metales y 8 son metaloides. A lo largo de cualquier periodo, las propiedades fsicas y qumicas de los elementos cambian en forma gradual de metlicas a no metlicas, de izquierda a derecha. En general, se hace referencia a los elementos en forma colectiva, mediante su nmero de grupo en la tabla peridica (grupo 1A, grupo 2A, y as sucesivamente). Sin embargo, por conveniencia, algunos grupos de elementos tienen nombres especiales. Los elementos del grupo 1A (Li, Na, K, Rb, Cs y Fr) se llaman metales alcalinos, y los elementos del grupo 2A (Be, Mg, Ca, Sr, Ba y Ra) reciben el nombre de metales alcalinotrreos o tierras alcalinas. Los elementos del grupo 7A (F, Cl, Br, l y At) se conocen como halgenos, y los elementos del grupo 8A (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn) son los gases nobles o gases raros. La tabla peridica es una herramienta til que correlaciona las propiedades de los elementos de una forma sistemtica y ayuda a hacer predicciones con respecto al comportamiento qumico. Posterior a la Figura 2.1 (Tabla Peridica) se encuentra la tabla 2.1 con el nombre de todos los elementos conocidos hasta la fecha.



Figura 2.1 Tabla 2.1 Nmero Masa Fecha del Descubridor Elemento Smbolo atmico atmica* descubrimiento Y nacionalidad*Actinio Aluminio Ac Al 89 13 (227) 26.98 1899 1827 A. Debierne (Fr.) F. Woehler (Al.)

DerivacinGr. aktis, haz o rayo Alumbre, compuesto de aluminio en el cual se descubri; derivado del L. alumen, sabor astringente Las Amricas

Americio

Am

95

(243)

1944

A. Ghiorso (EU) R. A. James (EU) G. T. Seaborg (EU) S.G. Thompson (EU)

Antimonio

Sb

51

121.8

Antigedad

L. antimonium (anti. opuesto a; monium, condicin de aislado). llamdoas por ser una sustancia tangible (metlica) que se combina fcilmente; Smbolo, L. stibium, Marca



Nmero Masa Fecha del Elemento Smbolo atmico atmica* descubrimientoArgn Arsnico Ar As 18 33 39.95 74.92 1894 1250

Descubridor y nacionalidad*Albertus Magnus (Al.)

DerivacinGr. aksenikon, pigmento amarillo; L. arsenicum, oropi mente; los griegos utilizaron alguna vez el trsulfuro de arsnico como pigmento Gr. astatos, inestable

Lord Raleigh (Brit.) Gr. argos, inactivo Sir William Ramsay (Brit.)

Astatinio

At

85

(210)

1940

D. R. Corson (EU) K. R. MacKenzie (EU) E. Segre (EU)

Azufre Bario

S Ba

16 56

32.07 137.3

Antigedad 1808 Sir Humphry Davy (Brit.)

Berkelio

Bk

97

(247)

1950

Berilio Bismuto

Be Bi

4 83

9.012 209.0

1828 1753

G. T. Seaborg (EU) S. G. Thompson (EU) A. Ghiorso (EU) F. Woehler (Al.) A. A. B. Bussy (Fr.) Claude Geoffroy (Fr.)

L. sulphurium (snscrito, sulvere) barita, espato pesado. derivado del Gr. barys. Pesado Berkeley, California

Fr. L. beryl, dulce Al. bismuth, probablemente una distorsin de weisse mass (masa blanca) en la cual se encontr El compuesto brax. derivado del Ar. buraq, blanco Gr. bromos, hediondo Gr. kadmia, tierra; L. cadma, calamina (porque se encontr junto con la calamina) L calx, cal California

Boro

B

5

10.81

1808

Bromo Cadmio

Br Cd

35 48

79.90 112.4

1826 1817

Sir Humphry Davy (Brit.) J. L Gay-Lussac (Fr.) L J. Thenard (Fr.) A. J. Balard (Fr.) Fr. Stromeyer (Al.)

Calcio Californio

Ca Cf

20 98

40.08 (249)

1808 1950

Sir humphry Davy (Brit.) G. T. Seaborg (EU) S. G. Thompson (EU) A. Ghiorso (EU) K. Street, Jr. (EU) J. J. Berzelius (Sue) William Hisinger (Sue.) M. H. Klaproth (Al.) R. Bunsen (Al.) G. R. Kirchhoff (Al.)

Carbono Cerio

C Ce

6 58

12.01 140.1

Antigedad 1803

L carbo, carbn Asteroide "Ceres"

Cesio

Cs

55

132.9

1860

Cloro Cromo

Cl Cr

17 24

35.45 52.00

1774 1797

K. W. Scheele (Sue.) L N. Vauquelin (Fr.)

Cobalto

Co

27

58.93

1735

G. Brandt (Al.)

Cobre

Cu

29

63.55

Antigedad

L. caesium, azul (el cesio se descubri por sus lneas espectrales. que son azules) Gr. chloros, verde Plido Gr. chroma, color (porque se utiliza en pigmentos) Al. Kobold, duende (porque el mineral del cual se obtuvo el cobalto, en lugar del metal esperado, el cobre, se atribuy a los duendes) L. cuprum, cobre. derivado de cyprium, Isla de Chipre, la principal fuente de cobre en la Antigedad



Nmero Masa Fecha del Descubridor Elemento Smbolo atmico atmica* descubrimiento Y nacionalidad*Curio Cm 96 (247) 1944 G. T. Seaborg (EU) R. A. James (EU) A. Ghiorso (EU) Lecoq de Boisbaudran (Fr.) A. Ghiorso (EU) C. G. Mosander (Sue.)

DerivacinPierre y Marie Curie

Disprosio Einstenio Erbio

Dy Es Er

66 99 68

162.5 (254) 167.3

1886 1952 1843

Escandio Estao Estroncio

Se Sn Sr

21 50 38

44.96 118.7 87.62

1879 Antigedad 1808

L F. Nilson (Sue.)

Sir Humphry Davy (Brit.)

Europio Fermio Flor

Eu Fm F

63 100 9

152.0 (253) 19.00

1896 1953 1886

E. Demarcay (Fr.) A. Ghiorso (EU) H. Moissan (Fr.)

Fsforo Francio Gadolinio

P Fr Gd

15 87 64

30.97 (223) 157.3

1669 1939 1880

H. Brandt (Al.) Marguerite Perey (Fr.) J. C. Marignac (Fr.)

Galio Germanio Hafnio

Ga Ge Hf

31 32 72

69.72 72.59 178.5

1875 1886 1923

Lecoq de Boisbaudran (Fr.) Clemens Winkler (Al.) D. Coster (Hol.) G. von Hevesey (H.) P. Janssen (en el espectro) (Fr.) Sir William Ramsay (lo aisl) (Brit.) P. T. Cleve (Sue.) Sir Henry Cavendish (Brit.)

Gr. dysprositos, difcil de obtener Albert Einstein Ytterby, Suecia, lugar donde se descubrieron muchas tierras raras Escandinavia Smbolo, L. stannum, Estao Strontian, Escocia, derivado del mineral Estroncionita Europa Enrico Fermi Mineral espatoflor. del L. fluere, fluir (porque el espatoflor se utiliz como flundente) Gr. phosphoros. portador de luz Francia Johan Gadolin, qumico finlands que estudi las tierras Raras L. Gallia, Francia L. Germania, Alemania L. Hafnia, Copenhague Gr. helios, sol (porque primero se descubri en el espectro solar) L. Holmia, Estocolmo Gr. hydro, agua; genes, formador (porque cuando se quema con oxgeno forma agua) L. ferrum, hierro ndigo, por sus lineas azul ndigo en el Espectro L. iris, arco iris Iterbia, Suecia Iterbia, Suecia Gr. kryptos, Escondido Gr. lanthanein, oculto E. O. Lawrence (EU), inventor del cyclotron

Helio

He

2

4.003

1868

Holmio Hidrgeno

Ho H

67 1

164.9 1.008

1879 1766

Hierro Indio

Fe ln

26 49

55.85 114.8

Antigedad 1863

F. Reich (Al.) T. Richter (Al.) S. Tennant (Brit.) G. Urbain (Fr.) C. G. Mosander (Sue.) Sir William Ramsay (Brit.) M. W. Travers (Brit.) C. G. Mosander (Sue.) A. Ghiorso (EU) T. Sikkeland (EU) A. E. Larsh (EU) R. M. Latimer (EU) A. Arfvedson (Sue.)

Iridio Iterbio Itrio Kriptn Lantano Laurencio

Ir Yb Y Kr La Lr

77 70 39 36 57 103

192.2 173.0 88.91 83.80 138.9 (257)

1803 1907 1843 1898 1839 1961

Litio

Li

3

6.941

1817

Gr. lithos, roca (porque se encuentra en las rocas)



Nmero Masa Fecha del Descubridor Elemento Smbolo atmico atmica* descubrimiento Y nacionalidad*Lutecio Magnesio Lu Mg 71 12 175.0 24.31 1907 1808 G. Urbain (Fr.) C. A. von Welsbach (Au.) Sir Humphry Davy (Brit.)

DerivacinLutera, nombre antiguo de Pars Magnesia, un distrito en Tesalia, posiblemente derivado del L. magnesia L. magnes, imn Mendeleev, qumico ruso que propuso la tabla peridica y predijo las propiedades de elementos no Descubiertos Smbolo, L. hydrargyrum, plata Lquida Gr. molybdos, plomo Gr. neos, nuevo; didymos, gemelo Gr. neos, nuevo Planeta Neptuno Sue. kopparnickel, cobre falso; tambin del Al. nickel, referido al demonio, que evitaba que se extrajera el cobre de los minerales del nquel Gr. Niobe, hija de tantalus (el niobio se cosideraba idntico al tntalo, nombrado en honor a Tantalus, desde 1884) Fr. nitrogene, derivado del L nitrum, sosa nativa, o del Gr. nitron, sosa nativa, y del Gr. genes, formador Alfred Nobel

Manganeso Mendelevio

Mn Md

25 101

54.94 (256)

1774 1955

J. G. Gahn (Sue.) A. Ghiorso (EU) G. R. Choppin (EU) G. T. Seaborg (EU) B. G. Harvey (EU) S. G. Thompson (EU)

Mercurio

Hg

80

200.6

Antigedad

Molibdeno Neodimio Nen Neptunio Nquel

Mo Nd Ne Np Ni

42 60 10 93 28

95.94 144.2 20.18 (237) 58.69

1778 1885 1898 1940 1751

G. W. Scheele (Sue.) C. A. von Welsbach (Au.) Sir William Ramsay (Brit.) M. W. Travers (Brit.) E. M. McMillan (EU) P. H. Abelson (EU) A. F. Cronstedt (Sue.)

Niobio

Nb

41

92.91

1801

Charles Hatchett (Brit.)

Nitrgeno

N

7

14.01

1772

Daniel Rutherford (Brit.)

Nobelio

No

102

(253)

1958

A. Ghiorso (EU) T. Sikkeland (EU) J. R. Walton (EU) G. T. Seaborg (EU)

Oro Osmio Oxgeno

Au Os O

79 76 8

197.0 190.2 16.00

Antigedad 1803 1774 S. Tennant (Brit.) Joseph Priestley (Brit.) C. W. Scheele (Sue.)

Paladio Plata

Pd Ag

46 47

106.4 107.9

1803 Antigedad

W. H. Wollaston (Brit.)

L. aurum, aurora Brillante Gr. osme, olor Fr. oxygene, generador de cido. derivado del Gr. oxys, cido y del L genes, formador (porque alguna vez se Crey que formaba parte de todos los cidos) Asteroide Pallas Smbolo, L. argentum, Plata

Platino

pt

78

195.1

1735 1741

A. de Ulloa (Esp.) Charles Wood (Brit.)

Esp. platina, plata



Nmero Masa Fecha del Descubridor Elemento Smbolo atmico atmica* descubrimiento Y nacionalidad*Plomo Pb 82 207.2 Antigedad

DerivacinSmbolo, L. plumbum, plomo, que significa Pesado Planeta Plutn

Plutonio

Pu

94

(242)

1940

Polonio Potasio Praseodimio Prometi

Po K Pr Pm

84 19 59 61

(210) 39.10 140.9 (147)

1898 1807 1885 1945

G. T. Seaborg (EU) E. M. McMillan(EU) J. W. Kennedy (EU) A. C. Wahl (EU) Marie Curie (P.) Sir Humphry Davy (Brit.) C. A. von Welsbach (Au.) J. A. Marinsky (EU) L. E. Glendenin (EU) C. D. Coryell (EU) O. Hahn (Al.) L. Meitner (Au.) Pierre y Marie Curie (Fr.; P.) F. E. Dorn (Al.) W. Noddack (Al.) I. Tacke (Al.) Otto Berg (Al.) W. H. Wollaston (Brit.)

Protactinio

Pa

91

(231)

1917

Radio Radn Renio

Ra Rn Re

88 86 75

(226) (222) 186.2

1898 1900 1925

Polonia Smbolo, L. kalium, Potasa Gr. prasios, verde; didymos, gemelo Gr., mitologa. Prometheus, el titn griego que rob el fuego del cielo Gr. protos, primero; actinium (porque se desintegra en actinio) L radius, rayo Derivado del radio L Rhenus, el ro Rhin

Rodio

Rh

45

102.9

1804

Rubidio

Rb

37

85.47

1861

R. W. Bunsen (Al.) G. Kirchhoff (Al.)

Rutenio Samario

Ru Sm

44 62

101.1 150.4

1844 1879

K. K. Klaus (R.) Lecoq de Boisbaurdran (Fr.)

Selenio

Se

34

78.96

1817

J. J. Berzelius (Sue.)

Silicio Sodio

Si Na

14 11

28.09 22.99

1824 1807

J. J. Berzelius (Sue.) Sir Humphry Davy (Brit.)

Tntalo

Ta

73

180.9

1802

A. G. Ekeberg (Sue.)

Tecnecio

Te

43

(99)

1937

C. Perrier (I.)

Telurio Terbio Talio

Te Tb TI

52 65 81

127.6 158.9 204.4

1782 1843 1861

F. J. Mller (Au.) C. G. Mosander (Sue.) Sir William Crookes (Brit.)

Torio Tu lio Titanio

Th Tm Ti

90 69 22

232.0 168.9 47.88

1828 1879 1791

J. J. Berzefius (Sue.) P. T. Cleve (Sue.) W. Gregor (Brit.)

Gr. rhodon, rosa (porque algunas de sus sales son de color rosa) L. rubidius, rojo oscuro (descubierto con el espectroscopio. su espectro muestra lneas rojas) L Ruthenia, Rusia Samarsquita, en honor a Samarski, un ingeniero ruso Gr. selene, luna (porque se parece al telurio, llamado as por la Tierra) L silex, silicis, Pedernal L sodanum, remedio para el dolor de cabeza; smbolo, L. natrium, sosa Gr. mitologa, Tantalus por la dificultad para Aislarlo Gr. technetos, artificial (porque fue el primer elemento sinttico) L tellus, tierra Iterbia, Suecia Gr. thallos, un brote de vastago (porque en su espectro muestra una linea verde brillante) Mineral torita, derivado de Thor, dios nrdico de la guerra Thule, nombre antiguo de Escandinavia Gr. gigantes, los titanes y del L titanis, deidades gigantes



ElementoTungsteno Wolframio

SmboloW

Nmero Masa Fecha del Descubridor atmico atmica* descubrimiento y nacionalidad*74 183.9 1783 J. J. y F. de Elhuyar (Esp.)

DerivacinSue. tungsten, piedra pesada, smbolo. wolframita, un Mineral Planeta Urano Vanadis, diosa nrdica del amor y la belleza Gr. xenos, extranjero Gr. iodes, violeta Al. zink, de origen oscuro Zircn, en donde se encontr, derivado del Ar. zargum, color dorado

Uranio Vanadio Xenn Yodo Zinc Zirconio

U V Xe 1 Zn Zr

92 23 54 53 30 40

238.0 50.94 131.3 126.9 65.39 91.22

1789 1841 1801 1830 1898 1811 1746 1789

M. H. Klaproth (Al.) E. M. Peligot (Fr.) A. M. del Ro (Esp.) N. G. Sefstrom (Sue.) Sir William Ramsay (Brit.) M. W. Travers (Brit.) B. Courtois (Fr.) A. S. Marggraf (Al.) M. H. Klaproth (Al.)

2.2 tomo de BohrEl modelo del tomo de Rutherford no indica como se ordenan los electrones alrededor del ncleo del tomo. De acuerdo con la fsica clsica, los electrones estacionarios cargados negativamente deberan atrados por el ncleo cargado positivamente. Esto sugiere que los electrones en un tomo deben estar en movimiento como los planetas en orbitas alrededor del sol. Sin embargo de nuevo de acuerdo con la fsica clsica, los electrones deberan acelerarse continuamente y deberan radiar energa. Al perder energa, los electrones deberan acercarse al ncleo con un movimiento en espiral hasta juntarse con l. En 1913, Niels Bohr resolvi este dilema utilizando la hiptesis cuntica de Planck. Con una mezcla interesante de teora clsica y cuntica, Bohr postul que para un tomo de hidrogeno. 1. El electrn se mueve en orbitas circulares alrededor del ncleo con el movimiento descrito por la fsica clsica. 2. El electrn solo tiene un conjunto de orbitas permitidas, denominadas estados estacionarios. Las orbitas permitidas son aquellas en las que ciertas propiedades del electrn tienen determinados valores. Aunque la teora clsica predice otra cosa, mientras un electrn permanece en una orbita dada, su energa es constante y no emite energa. La propiedad particular del electrn con solo ciertos valores permitidos que conduce nicamente a un conjunto discreto de orbitas permitidas, se denomina momento angular. Sus valores posibles son nh/2, donde n debe ser un nmero entero. As, n=1 para la primera orbita; n=2 para la segunda orbita; y as sucesivamente. 3. Un electrn slo puede pasar de una orbita permitida a otra. En estas transiciones estn implicadas cantidades discretas y fijas de energa (cuantos) absorbida o emitida. El modelo atmico del hidrogeno basado en estas ideas se describe en la figura 2.2. Los estados permitidos para el electrn se numeran, n=1, n=2, n=3 y as sucesivamente. Estos enteros se denominan nmeros cunticos. La teora de Bohr predice los radios de la orbitas permitidas en un tomo de hidrogeno.

rn = n 2 a0 , donde n = 1, 2, 3. y a0 = 0.53 APag. 2-7 Prof. Edgar Valladares

o


La teora tambin nos permite calcular las velocidades del electrn en estas orbitas, y lo que es ms importante la energa. Por convenio, cuando el electrn est separado del ncleo se dice que est en el cero de energa. Cuando un electrn libre es atrado por el ncleo y confinado en una orbita n, la energa del electrn se hace negativa y su valor desciende a

E0 =

RH , donde RH es una constante numrica con un valor 2.179x10-18J n2

La figura 2.2 representa una parte del tomo de hidrogeno. El ncleo esta en el centro y el electrn se encuentra en una de las orbitas discretas, n =1, 2, 3. La excitacin del tomo hace que el electrn pase a orbitas de numero ms alto, como se muestra mediante las flechas negras. Cuando el electrn cae a una orbita de numero mas bajo se emite luz.

Figura 2.2

2.3 Nmeros cunticosPara describir la distribucin de los electrones en el hidrgeno y los dems tomos, la mecnica cuntica precisa de tres nmeros cunticos: el nmero cuntico principal, el nmero cuntico del momento angular y el nmero cuntico magntico. Estos nmeros se derivan de la solucin matemtica de la ecuacin de Schrdinger para el tomo de hidrgeno, y se utilizan para describir los orbitales atmicos e identificar a los electrones que estn dentro. El nmero cuntico de espn es un cuarto nmero cuntico que describe el comportamiento de un determinado electrn y completa la descripcin de los electrones en los tomos.

2.3.1 Nmero cuntico principalEl nmero cuntico principal (n) puede tomar valores enteros de 1,2, 3, etctera, y corresponde al nmero cuntico en la ecuacin para calcular E0. En el tomo de hidrgeno, el valor de n define laPag. 2-8 Prof. Edgar Valladares


energa de un orbital. Sin embargo, esto no se aplica para tomos polielectrnicos, como se ver en breve. El nmero cuntico principal tambin est relacionado con la distancia promedio del electrn al ncleo en un determinado orbital. Cuanto ms grande es el valor de n, mayor es la distancia entre un electrn en el orbital respecto del ncleo y, en consecuencia, el orbital es ms grande (y menos estable).

2.3.2 Nmero cuntico del momento angularEl nmero cuntico del momento angular (l) expresa la "forma" de los orbitales. Los valores de l dependen del valor asignado al nmero cuntico principal, n. Para un cierto valor de n, l tiene todos los valores enteros posibles desde 0 hasta (n -1). Para n = 1, slo existe un posible valor de l; es decir, l = n-1 = 1-1 = 0. Si n = 2, l puede tener dos valores: 0 y 1. Si n = 3, l puede tener tres valores: 0, 1 y 2. El valor de l se designa con las letras s,p,d,... de la siguiente forma: L Nombre del orbital 0 s 1 p 2 d 3 f 4 g 5 h

Por tanto, si l = 0, tenemos un orbital s, si l = 1, tenemos un orbital p, y as sucesivamente. La secuencia especial de letras (s, p y d) tiene un origen histrico. Los fsicos que estudiaron los espectros de emisin atmica intentaban relacionar las lneas espectrales detectadas con los estados de energa asociados a las transiciones. Observaron que algunas lneas eran finas (sharp en ingls), otras eran ms bien difusas, y algunas eran muy intensas y se referan a ellas como principales. Por esta razn, asignaron las letras iniciales del adjetivo que calificaba a cada lnea con esos estados de energa. Sin embargo, despus de la letra d, el orbital se designa siguiendo un orden alfabtico, comenzando con la letra f(para el estado fundamental). El conjunto de orbitales que tienen el mismo valor de n se conoce comnmente como nivel o capa. Los orbitales que tienen los mismos valores de n y l, se conocen como subnivel o subcapa. Por ejemplo, el nivel con n = 2 est formado de dos subniveles, l = 0 y 1 (los valores permitidos para n = 2). Estos corresponden a los subniveles 2s y 2p, donde 2 expresa el valor de n, y s y p se refieren al valor de l.

2.3.3 Nmero cuntico magnticoEl nmero cuntico magntico (ml) describe la orientacin del orbital en el espacio. Dentro de un subnivel, el valor de ml depende del valor que tenga el nmero cuntico del momento angular. ParaPag. 2-9 Prof. Edgar Valladares


cierto valor de l existen (2 l + 1) valores enteros de ml ( como sigue: - l, (-l +1), (-l + 2), (l 1), l Si l = 0, entonces ml = 0. Si l = 1 entonces existen [(2 X 1) + 1 ] o tres valores de ml es decir. -1, 0 y 1. Si l = 2, hay [(2 X 2) + 1] o cinco valores de ml, es decir, -2 -1, 0, 1 y 2. El nmero de valores que tenga ml indica el nmero de orbitales presentes en un subnivel con un cierto valor de l. Para resumir este anlisis de los tres nmeros cunticos, supone, el caso donde n = 2 y l = 1. Los valores de n y l indican que se tiene un subnivel 2p, y en ste se tiene tres orbitales 2p (puesto que hay tres valores de ml:-1..0y 1).

2.3.4 Numero cuntico de espinLa mecnica ondulatoria proporciona los tres nmeros cunticos con los que podemos desarrollar una descripcin de los orbitales electrnicos, Pero necesitamos adems otro nmero cuntico. En 1925, George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit propusieron que algunas caractersticas sin explicar del espectro del hidrogeno podran comprenderse suponiendo que un electrn acta como si girase sobre s mismo, igual que la tierra gira sobre su eje. El nmero cuntico del electrn ms puede tener un valor + (indicado tambin por la flecha ) o (indicado por la flecha ); para una mejor comprensin del sentido de giro y la direccin de la flecha observe la figura 2.2 y utilice la regla de la mano derecha. El valor de ms no depende de los otros tres nmeros cunticos.

Figura 2.2a

2.4 Configuracin electrnicaLa configuracin electrnica de un tomo es una designacin de la distribucin de los electrones entre los diferentes orbitales en las capas principales y las subcapas. Durante el curso veremos que muchas de las propiedades fsicas y qumicas de los elementos pueden relacionarse con las configuraciones electrnicas. En esta unidad veremos como los resultados de la mecnicaPag. 2-10 Prof. Edgar Valladares


ondulatoria, expresada como un conjunto de reglas, nos puede ayudar a escribir las configuraciones electrnicas probables de los elementos.

2.4.1 Reglas para distribuir los electrones en los orbitalesLos electrones ocupan los orbitales de forma que se minimice la energa del tomo. La Figura 2.3 es un diagrama de niveles de energa para las tres primeras capas electrnicas y sugiere el orden en el que los electrones ocupan los orbitales en estas capas, primero el 1s, despus 2s, 2p, y as sucesivamente. El orden exacto de llenado de los orbitales se estableci experimentalmente, principalmente mediante estudios espectroscpicos y magnticos, y es el orden que debemos seguir al asignar las configuraciones electrnicas a los elementos.

Figura 2.3 Excepto para unas pocas excepciones, el orden de llenado de los orbitales es1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p

Algunos estudiantes ven en el diagrama dibujado en la Figura 2.4 una forma til de recordar este orden, pero el mtodo mejor para establecer el orden de llenado de los orbitales es el basado en la tabla peridica, como se ver ms adelante.

Figura 2.4

2.4.2 El principio de exclusin de PaulDos electrones de un tomo no pueden tener los cuatro nmeros cunticos iguales. En 1926. Wolfgang Pauli explic lasPag. 2-11 Prof. Edgar Valladares


caractersticas complejas de los espectros de emisin producidos por los tomos en presencia de campos magnticos, proponiendo que dos electrones en un tomo no pueden tener los cuatro nmeros cunticos iguales. Los tres primeros nmeros cunticos, n, l, y ml determinan un orbital especfico. Dos electrones pueden tener estos tres nmeros cunticos iguales; pero s es as, deben tener valores diferentes de ms, el nmero cuntico de espn. Otra forma de establecer este resultado es que solamente dos electrones pueden ocupar el mismo orbital y que estos electrones deben tener espines opuestos. Debido al lmite de dos electrones por orbital, la capacidad de una subcapa de electrones puede obtenerse tomando el doble del nmero de orbitales en la subcapa. As, la subsapa s consiste en un orbital con una capacidad de dos electrones; la subcapa p consiste en tres orbitales con una capacidad t

Apuntes de Quimica General

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