Conceptos claves para el estudio de la

Química

Universidad de La FronteraFac. Ing.Cs. y Adm.Dpto. Cs. Químicas

Prof. Josefina Canales

QUÍMICA

Es el estudio de la materia y sus propiedades, los cambios que experimenta esta materia, y la energía asociada a estos cambios

Química

Oceanografía Ciencias Atmosféricas

Economía

FísicaMedicina

Gobierno

Geología

Antropología

Biología

Astronomía

Política

Gente

La Química como la ciencia central

bolsas (PE)

terminales de PC

lapiceros

mesas y sillas (PEs)recipiente de comida

paneles de autosteléfono movil

marco de lentes

kevlargore-tex zapatillas

buzos

trajes térmicos para el agua

tencel (fibra)

teflón (PTFE)

perfumes

crema hidratantecrema de afeitardesodorantespray para el pelo

protector solar

gel de baño

La química es el estudio de la materia y de los cambios que experimenta.

agua, amoniaco, sacarosa, oro, oxígeno.

1.4

1. La materia es cualquier cosa que ocupa un espacio y que tiene masa.

2. Una sustancia es una forma de materia que tiene una composición definida y propiedades características.

Propiedades :

Son las características que cada sustancia tiene y que le dan su identidad única.

Propiedades físicas : Son las que la materia muestra por sí misma, sin cambiar o interactuar con otra sustancia (color, punto de fusión, punto de ebullición, densidad, etc.).

Propiedades químicas : Son las que muestra una sustancia a medida que que cambia o interactúa con otra(s) sustancia(s) (inflamabilidad, corrosividad, etc.).

Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual las sustancias conservan sus propiedades características.

1. Mezcla homogénea: la composición de la mezcla es la misma en toda la disolución.

2. Mezcla heterogénea: la composición no es uniforme en todas partes.

bebida no alcohólica, leche, soldadura

cemento, virutas de hierro en arena

Los medios físicos puede usarse para separar una mezcla en sus componentes puros.

imándestilación

Un elemento es una sustancia que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos.

• Se han identificado 115 elementos

• 83 elementos se encuentran en forma natural en la Tierra

oro, aluminio, plomo, oxígeno, carbono,

• 32 elementos se han obtenido por medios científicos

tecnecio, americio, seaborgio

Un compuesto es una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas.

Los compuestos sólo pueden separarse en sus componentes puros (elementos) por medios químicos.

Agua (H2O) Glucosa (C6H12O6)

Amoniaco (NH3)

Clasificación de la materia

Materia

MezclasSustancias

puras

Separación por

métodos físicos

Separación por

métodos químicos

Mezclashomogéneas

Mezclasheterogéneas Compuestos Elementos

Los tres estado de la materia

Sólido Líquido Gas

Energía involucrada en cambios de fase

Sólido

Líquido

Gas

Ebullición Condensación

Fusión Congelamiento

Requiere energía

Libera energía

Definiciones

Energía – ¡La habilidad para realizar trabajo!

Energía Potencial – Es la energía de un objeto como resultado de su posición. O la energía de una reacción química.

Energía Cinética – Es la energía de un objeto debida a su movimiento.

2H2 (g) + O2 (g) = 2 H2O (g) + Energía

¡El hidrógeno y el oxígeno son gases diatómicos!

¡El agua puede ser un gas!

¡Se liberó energía!– ¡Esto es característico de una reacción Exotérmica

¡Ésta es una reacción química balanceada!

El enfoque científico: Desarrollo de un modelo

Observaciones : Fenómenos naturales y eventos medidos; aquellos universalmente consistentes pueden ser establecidos como una ley natural.

Hipótesis: Propuesta tentativa que explica las observaciones.

Experimento: Procedimiento para probar la hipótesis; mide una variable a la vez.

Modelo (Teoría): Conjunto de postulados que explican los datos obtenidos en experimentos acumulados; predice fenómenos relacionados.

Experimento posterior: Prueba las predicciones basadas en el modelo.

Definiciones - Masa y peso

Masa – Es la cantidad de materia que contiene un objeto.

Kilogramo - ( kg ) – Unidad básica de masa en el SI, es un cilindro de platino-iridio resguardado en París como un estándar.

Peso – Depende de la masa de un objeto y de la fuerza del campo gravitacional que lo atrae.

Unidades derivadas SICantidad Definición de Cantidad Unidad SIÁrea Longitud cuadrada m2

Volumen Longitud cúbica m3

Densidad Masa por unidad de volumen kg/m3

Velocidad Distancia recorrida por unidad m/s de tiempo

Aceleración Velocidad cambiada por unidad de m/s2

tiempo

Presión Fuerza por unidad de area kg/(ms2) ( = pascal, Pa)

Equivalencias comunes

Cantidad Unidad SI Equivalentes SI

Longitud 1 kilómetro (km) 1000 (103) metros1 metro (m) 100 (102 ) centímetros

1000 (103) millímetros1 centímetro (cm) 0.01 (10-2) metros

Volumen 1 metro cúbico (m3) 1,000,000 (106) centímetros cúbicos

1 decímetro cúbico 1000 centímetros cúbicos(dm3) 1 centímetro cúbico 0.001 dm3

(cm3)

Masa 1 kilogramo (kg) 1000 gramos1 gramo (g) 1000 miligramos

Algunas relaciones de volumen en el SI

Material volumétrico de vidrio común en el laboratorio

Las conversiones en el sistema métrico son fáciles, como: 1 km = 1000 m

y 1 metro (m) = 100 centímetros(cm) y 1 cm = 10 milímetros(mm)

Por lo tanto en m y cm:

8.89 km x 1000m / 1 km = 8,890 m 8890 m x 100 cm / m = 889,000 cm

Factores de conversión

Factores de conversión

• Factores de conversión múltiple

• Convertir 3.56 lbs/hr en unidades de miligramos/seg

• 3.56 lbs/hr x (1kg/2.205 lbs) x(1000g/1kg) x

(1000mg/1g) x (1hr/60 min) x (1min/60 seg)

= 448 mg/seg

Factores de conversión Volumen métrico a volumen métrico

• 1.35 x 109 km3 = Volumen de los océanos del mundo• 1.35 x 109 km3 x (103 m/1 km )3 x ( 103 litros/1m3)

= 1.35 x 1021 litros• Factores de conversión:

1000m = 1km

1000 l = 1m3

Las comunicaciones internacionales por computadora podrán transmitirse dentro de poco por cables de fibra óptica en el fondo del mar. Si un hilo de fibra óptica pesa 1.19 x 10 -3 lbs/m, ¿cuál es la masa (en kg) de un cable hecho de 6 hilos de fibra óptica, cada una lo suficientemente larga para unir Nueva York y París (8.84 x 103 km)?.

Longitud (km) de Fibra

Longitud (m) de Fibra

Masa (lb) de Fibra Masa (lb) de Cable

Masa (kg) de cable

1 km = 103 m

1m = 1.19 x 10 -3

lb 6 fibras = 1 cable

2.205 lb = 1 kg

Ejemplos

Longitud (m) de fibra = 8.84 x 103 km x 103m / km = 8.84 x 106 m

Masa (lb) de fibra = 8.84 x 106 m x 1.19 x 10-3 lb / 1m= 1.05 x 104 lb

Masa (lb) de cable = 1.05 x 104 lb / 1 fibra x 6 fibras / 1 cable= 6.30 x 104 lb / cable

Masa (kg) de cable = 6.30 x 104 lb / 1 cable x 1kg / 2.205 lb= 2.86 x 104 kg / cable

Ejemplos

Densidad : Relación masa dividida en Volumen

La densidad es una caracteristica fisica de una sustancia, aunque su masa y volumen varíen.

Propiedades Extensivas:Depende de la cantidad de sustancia presente .

Ej: Masa y Volumen

MasaVolumen

D =

Propiedades Intensivas:Es independiente de la cantidad de sustancia presente

Ej: Densidad

Densidades de algunas sustancias comunes

Sustancia Estado físico Densidad (g/cm3)

Hidrógeno Gas 0.000089Oxígeno Gas 0.0014Alcohol de grano Líquido 0.789Agua Líquido 1.0Sal de mesa Sólido 2.16Aluminio Sólido 2.70Plomo Sólido 11.3Oro Sólido 19.3

El litio (Li) es un sólido suave y gris que tiene la menor densidad de los metales. Si un pequeño bloque de litio pesa 1.49 x 103 mg y sus lados miden 20.9 mm by 11.1 mm por 11.9 mm, ¿cuál es la densidad del litio en g/ cm3 ?

Longitud (mm)de los lados

Longitud (cm)de los lados

Masa (mg)de Li

Masa (g)de Li

Densidad (g/cm3) de Li

Volumen (cm3)

Ejemplos

Ejemplos

Longitud (cm) de un lado = 20.9 mm x 1cm/10 mm = 2.09 cm

Similarmente, los otros lados miden 1.11 cm y 1.19 cm

Volumen (cm3) = 2.09 cm x 1.11 cm x 1.19 cm = 2.76 cm3

2.76 cm3

1.49 g Densidad del Li = = 0.540 g/cm3

Masa (g) de Li = 1.49 x 103 mg x = 1.49 g1 g

103 mg

Problema de aplicación - Densidad de un Metal

Problema: El cesio es el metal más reactivo de la tabla periódica, ¿cuál es su densidad si un cubo de 3.4969 kg de Cs tiene lados de 125.00 mm cada uno?Plan: Calcule el volumen de las dimensiones del cubo, y calcule la densidad a partir de la masa y el volumen.Solución:

Volumen = (longitud)3 = (12.500 cm)3 = 1,953.125 cm3

longitud = 125.00 mm = 12.500 cm

masa = 3.4969 kg x 1000g/kg = 3,496.9 g

densidad = = = 1.7904 g/mlmasa 3496.9 gvolumen 1,953.125 cm3

Problema del principio de Arquímedes

Problema: Calcule la densidad de un objeto de metal de forma irregular que tiene una masa de 567.85 g si cuando es puesto en una probeta graduada de 2.00 litros conteniendo 900.00 ml de agua, el volumen final del agua en la probeta es 1,277.56 ml. Plan: Calcule el volumen de acuerdo a los distintos datos descritos en el problema , y calcule la densidad usando la masa dada .

Solución:

Volumen = 1,277.56 ml - 900.00 ml = 377.56 ml

Densidad = = = 1. 50 g / ml masa 567.85 gvolumen 377.56 ml

Temperatura:

Es una medida de que tan fría o caliente es una sustancia en relación a otra.

Calor:

Es la energía que fluye entre objetos que están a diferentes temperaturas

Escalas de temperatura e interconversiones

Kelvin ( K ) - La “escala absoluta de temperatura” comienza en el cero absoluto y sólo tiene valores positivos.

Celsius ( oC ) – La escala de temperatura usada en las ciencias, formalmente llamada centígrada, es la escala más comúnmente usada en el mundo, el agua se congela a 0oC, y hierve a 100oC.

Fahrenheit ( oF ) – La escala usada comúnmente en Estados Unidos para los reportes del clima; el agua se congela a 32oF, y hierve a 212oF.

T (en K) = T (en oC) + 273.15

T (en oC) = T (en K) - 273.15

T (en oF) = 9/5 T (en oC) + 32

T (en oC) = [ T (en oF) - 32 ] 5/9

Temperaturas de congelamiento y ebullición del agua

Punto de ebullicióndel agua

Punto de congelamientodel agua

100GradosCelsius

100GradosKelvin

180GradosFahrenheit

El volumen de un sólido irregular se puede determinar por la cantidad de agua que desplaza. Una probeta graduada contiene 19.9 ml. de agua. Cuando se agrega una pequeña pieza de galena, un mineral de plomo, se hunde y el volumen del agua aumenta a 24.5 ml. ¿Cuál es el volumen de la pieza de galena en cm3 y en litros.

Vol (ml) = 24.5 ml – 19.9 ml = 4.6 ml

Vol (cm3) = 4.6 ml x 1 cm3/ 1 ml = 4.6 cm3

Vol (litros) = 4.6 ml x 10 –3 litros/ml = 4.6 x 10 -3 litros

Ejemplos

Conversiones de temperatura

El punto de ebullición del Nitrógeno líquido es - 195.8 oC, ¿cuál es la temperatura en grados Kelvin y Fahrenheit?

T (en K) = T (en oC) + 273.15T (en K) = -195.8 + 273.15 = 77.35 K = 77.4 K

T (en oF) = 9/5 T (en oC) + 32T (en oF) = 9/5 ( -195.8oC) +32 = -320.4 oF

La temperatura normal del cuerpo humano es 98.6oF, ¿cuál es ésta en grados Celsius y Kelvin?

T (en oC) = [ T (en oF) - 32] 5/9T (en oC) = [ 98.6oF - 32] 5/9 = 37.0 oC

T (en K) = T (en oC) + 273.15T (en K) = 37.0 oC + 273.15 = 310.2

Notación científicaEl número de átomos en 12 g de carbono:

602,200,000,000,000,000,000,000

6.022 x 1023

La masa de un solo átomo de carbono en gramos:

0.00000000000000000000000199

1.99 x 10-23

N x 10n

N es un númeroentre 1 y 10

n es un entero positivo o negativo

Notación científica568.762

n > 0

568.762 = 5.68762 x 102

mover decimal a la izquierda 0.00000772

n < 0

0.00000772 = 7.72 x 10-6

mover decimal a la derecha

Adición o sustracción

1. Escribir cada cantidad con el mismo exponente n

2. Combinar N1 y N2 3. El exponente, n,

permanece igual

4.31 x 104 + 3.9 x 103 =

4.31 x 104 + 0.39 x 104 =

4.70 x 104

Notación científica

Multiplicación

1. Multiplicar N1 y N2

2. Sumar exponentes n1 y n2

(4.0 x 10-5) x (7.0 x 103) =(4.0 x 7.0) x (10-5+3) =

28 x 10-2 =2.8 x 10-1

División

1. Dividir N1 y N2

2. Restar exponentes n1 y n2

8.5 x 104 ÷ 5.0 x 109 =(8.5 ÷ 5.0) x 104-9 =

1.7 x 10-5

Cifras significativas:

Son los digitos que registramos en una medición tanto los ciertos como los inciertos

El número de cifras significativas en una medida depende del instrumento de

medición

Cifras significativas

•Cualquier dígito que no es cero es significativo

1.234 kg 4 cifras significativas

•Los ceros entre los dígitos no cero son significativos

606 m 3 cifras significativas

•Los ceros a la izquierda del primer dígito no cero no son significativos

0.08 L 1 figura significativa

•Si un número es mayor que 1, entonces todos los ceros a la derecha del punto decimal son significativos

2.0 mg 2 cifras significativas

•Si un número es menor que 1, entonces sólo los ceros que están al final y en medio del número son significativos

0.00420 g 3 cifras significativas

Reglas para determinar cuáles dígitos son significativos

Todos los dígitos son significativos, excepto los ceros que se usan sólo para posicionar el punto decimal.

1. Asegúrese de que la cantidad medida tenga un punto decimal.

2. Inicie a la izquierda del número y siga a la derecha hasta encontrar el primer dígito que no sea cero.

3. A partir inclusive de ese dígito, todos los dígitos a la derecha son significativos.Los ceros que terminan un número y están antes o después del

punto decimal son significativos; por tanto 1.030 ml tiene cuatro cifras significativas, y 5300. L tiene también cuatro cifras significativas. Debería asumirse que números como 5300 L tienen sólo dos cifras significativas. Un punto decimal terminal es a menudo utilizado para clarificar la situación, ¡pero la notación científica es la mejor!

¿Cuántas cifras significativas están en cada una de las medidas siguientes?

24 mL 2 cifras significativas

3001 g 4 cifras significativas

0.0320 m3 3 cifras significativas

6.4 x 104 moléculas 2 cifras significativas

560 kg 2 cifras significativas

Cifras significativas

Adición o sustracción

La respuesta no puede tener más dígitos a la derecha del punto decimal que cualquiera de los números originales.

89.3321.1+

90.432 redondeo a 90.4

una cifra significativa después del punto decimal

3.70-2.91330.7867

dos cifra significativa después del punto decimal

redondeo a 0.79

Cifras significativas

Multiplicación o divisiónEl número de cifras significativas en el resultado está determinado por el número original que tiene el númeromás pequeño de figuras significativas.

4.51 x 3.6666 = 16.536366 = 16.5

3 cifra sig redondeo a 3 cifra sig

6.8 ÷ 112.04 = 0.0606926

2 cifra sig redondeo a 2 cifra sig

= 0.061

Errores de precisión y exactitud en mediciones científicas

Precisión –Se refiere a la reproducibilidad o cuán cerca están unas de otras las mediciones de una serie .

Exactitud –Se refiere a qué tan próxima está la medida del valor real.

Error Sistemático -Produce valores que son o bien todos mayores o todos menores que el valor real.

Error Aleatorio -En ausencia de error sistemático, produce algunos valores mayores y menores que el valor real.

exactitudy

precisiónbuenas

exactitud deficientey buena precisión

exactitudy

precisióndeficientes

A: Alta Precisión, Alta exactitudB: Alta Precisión, Baja exactitud.(Error Sistemático)C: Baja Precisión, el valor promedio esta cerca del valor real (E.A)D: Baja Precisión y Baja Exactitud (Error Aleatorio)

En este experimento se representan 4 medidas con una probeta diferente. La gráfica representa :

Ma s

a (g

) d

e ag

ua

Número de prueba Número de prueba

Número de prueba Número de prueba

Ma s

a (g

) d

e ag

ua

Ma s

a (g

) d

e ag

ua

Ma s

a (g

) d

e ag

ua

El método del factor unitario para la resolución de problemas

1. Determine qué factor(es) unitario de conversión se necesita.

2. Lleve las unidades a través del cálculo

3. Si todas las unidades se cancelan excepto para la unidad(es) deseada, entonces el problema se resolvió correctamente.

1 L = 1000 mL

¿Cuántos mL están en 1.63 L?

1L

1000 mL1.63 L x = 1630 mL

1L1000 mL

1.63 L x = 0.001630L2

mL

FIN