Qu´ımica Aplicada Grado en Nutrición Humana y Dietética ... · Grado en Nutrición Humana y...

Quımica AplicadaGrado en Nutricion Humana y Dietetica

Universidad de Alicante

Angel J. Perez [email protected]

Montserrat Hidalgo [email protected]

Departamento de Quımica FısicaDepartamento de Quımica Analıtica, Nutricion y Bromatologıa

Curso 2010-2011

[email protected], [email protected] (U.A.)Quımica Aplicada. Grado en Nutricion. Curso 2010-2011 1 / 55

[email protected]

[email protected]

1 Conceptos fundamentales en Quımica¿Que es y para que sirve la Quımica?Sustancias y reacciones quımicas: caracterısticas y leyes

2 Estructura de la materiaEstructura atomica y propiedades periodicasEl enlace quımicoFuerzas intermoleculares, polaridad y enlace de hidrogenoCaracterısticas esenciales de gases y lıquidos

3 Agua, disoluciones acuosas y coloidesCaracterısticas relevantes del aguaEl agua como disolventeCaracterısticas esenciales de las dispersiones coloidales

4 TermoquımicaEnergıa y reacciones quımicasEl aporte calorico de los alimentos

5 Equilibrios quımicos

6 Aplicaciones de los equilibrios quımicos

7 Cinetica quımica


Conceptos fundamentales en Quımica

Resumen del Tema

1 Conceptos fundamentales en Quımica¿Que es y para que sirve la Quımica?Sustancias y reacciones quımicas: caracterısticas y leyes

2 Estructura de la materia

3 Agua, disoluciones acuosas y coloides

4 Termoquımica



7 Cinetica quımica


Conceptos fundamentales en Quımica ¿Que es y para que sirve la Quımica?

¿Que es la Quımica?

La Quımica es la ciencia que describe la materia

Sus propiedades: ¿de que esta hecha?, ¿es solida, lıquida, gaseosa?,¿que cantidad de energıa contiene?, . . .

Los cambios que sufre: reacciones quımicas

transformaciones de unas sustancias en otras

El intercambio de energıa que acompana a dichos cambios.



¿Que es la Quımica?

La Quımica es la ciencia que describe la materia

Descripcion cientıfica:

comprueba hipotesis: metodo cientıfico ↔ experimentacion

cuantitativa ↔ las matematicas son parte esencial

Ejemplo: para preparar un buen caldo de carne

¿Es mejor echarla en agua hirviendo o en agua frıa y calentar?

Corta un trozo de carne en dos partes iguales y pesa ambos tras usar unprocedimiento durante una hora con cada uno.

¿Respuesta? Hazlo en casa y/o comprueba el resultado en “Molecular Gas-tronomy” (Herve This), capıtulo 1.



¿Por que vamos a estudiar Quımica?

Es indispensable para la vida de los seres humanos

Cocinar y alimentarse es quımica

¿como cambian los alimentos al cocinarlos?

¿como se descomponen?, ¿como preservarlos mejor?

¿como usa nuestro cuerpo la comida?

Nuestro organismo funciona gracias a un conjunto de reaccionesquımicas coordinadas

Metabolismo

{

catabolismo Rompe sustancias → energıaanabolismo Sintetiza sustancias ← energıa


http://es.wikipedia.org/wiki/Metabolismo


¿Como estudiar Quımica?

No dejes para manana lo que debas hacer hoy

Desarrollo del curso: guıa docente

Competencias y objetivos.

Programacion de clases de teorıa, problemas y practicas.

Criterios de evaluacion.

Textos de apoyo y recursos on-line.

Actividades no presenciales: deberes

Repaso de conceptos en textos de apoyo.

Colecciones de problemas.


http://cv1.cpd.ua.es/ConsPlanesEstudio/cvFichaAsiEEES.asp?wCodEst=C352&wcodasi=27503&wLengua=C&scaca=2011-12


¿Que deberıa saber? Repaso de conceptos §1.1

Repasa los conceptos y complementalos con las siguientes fuentes:

¿Que es la Quımica y por que la estudiamos?

Principios de Quımica (Atkins): paginas F1–F5

Quımica de los alimentos (Primo Yufera): secciones 1.2–1.4

http://chemistry.about.com. What is Chemistry?

http://chemistry.about.com. What is the importance of Chemistry?

Consejos para estudiar Quımica

http://chemistry.about.com. Chemistry Study Tips

http://chemtutor.com. Heuristics


http://chemistry.about.com

http://chemistry.about.com/od/chemistry101/a/basics.htm


http://chemistry.about.com/od/chemistry101/f/importanceofchemistry.htm


http://chemistry.about.com/od/homeworkhelp/a/studytips.htm

http://chemtutor.com

http://chemtutor.com/heurist.htm

Conceptos fundamentales en Quımica Sustancias y reacciones quımicas: caracterısticas y leyes

¿De que estamos hechos?

La materia se compone de agrupaciones de atomos(partıculas de tamano y masa muy pequenos)

Tipos Composicion atomica Ejemplos.Elementos Un solo tipo de atomos aluminio (Al), carbon (C)Sustancias Varios tipos de atomos en H2O, CO2, NaHCO3,puras proporcion definida CH3COOHDisoluciones Mezcla homogenea de sustancias Vinagre: H2O, CH3COOH, . . .Resto Mezcla heterogenea de sustancias La mayorıa de alimentos

Sus propiedades (estado de agregacion, masa, volumen, densidad,estabilidad, reactividad quımica, . . .) dependen de su composicion→ formula estequiometrica.



Describiendo reacciones quımicas

Las reacciones quımicas son transformaciones de unas sustancias en otras,que se representan mediante una ecuacion quımica

NaHCO3(s) + CH3COOH(ac) → CO2(g) + H2O(l) + CH3COONa(ac)

Ley de conservacion de la materia → ajuste de reacciones.Ley de conservacion de la energıa → el exceso/defecto de energıa se libe-ra/capta en forma de trabajo (movimiento) o calor (enfriamiento o calen-tamiento).



Describiendo reacciones quımicas

Las reacciones quımicas son transformaciones de unas sustancias en otras,que se representan mediante una ecuacion quımica

NaHCO3(s) + CH3COOH(ac) → CO2(g) + H2O(l) + CH3COONa(ac)

EFinal

EInicial

ENERGIA

(kcal,kJ,...)

Inicial

Final

∆E = EFinal − EInicial < 0

El exceso de energia

se libera al entorno

EInicial

EFinal

ENERGIA

(kcal,kJ,...)

Inicial

Final

∆E = EFinal − EInicial > 0

La energia necesaria

es aportada por el entorno



¿Cuanto reacciona? Moles y gramos. Estequiometrıa.

La cantidad que reacciona de cada especie se mide en moles.

1 mol = 6,0221× 1023 ⇒ NA (Constante de Avogadro)

Para determinar los moles de una sustancia (n):

O bien se divide la cantidad de dicha sustancia, N, entre NA:

n =N

NA

O bien se divide la masa, m, entre su masa molar = masa de 1 mol=suma de masas atomicas de su formula estequiometrica (M)

n =m

M

EJEMPLO: REACCION EN LEVADURA. ESTEQUIOMETRIA DE COMPOSICION.



¿Que deberıa saber? Repaso de conceptos §1.2 (I)


¿De que estamos hechos?

Atkins (materia: estados de agregacion y propiedades): paginas F5-F7

Atkins (atomos): seccion §B.1 del capıtulo “Fundamentos”

Atkins (compuestos): seccion §C.1 del capıtulo “Fundamentos”

Atkins (mezclas): seccion §G.1–§G.2 del capıtulo “Fundamentos”

Moles y masas molares. Estequiometrıa de composicion. Formulacion quımica.

Atkins (moles y masas molares): §E

Atkins (estequiometrıa de composicion): §F

Atkins (formulacion): §D, apendice 3

Peterson: Formulacion y nomenclatura de Quımica Inorganica

Ecuaciones quımicas.

Atkins: seccion §H del capıtulo “Fundamentos”

Magnitudes y cifras.

Atkins: apendices §1B–§1D



¿Que deberıa saber hacer? Repaso de problemas §1.2 (I)

Aplica tus conocimientos a la resolucion de problemas

Moles y masas molares.

Atkins (§E): 1, 9–12, 4, 5, 14–20, 23, 24, 26

1000 problemas... (Cap. 1): 46, 48, 49, 51, 53, 60, 61, 62

Estequiometrıa de composicion.

Atkins (§F): 1, 2, 5, 6, 9–13, 16, 17, 3, 4, 7, 8, 18

1000 problemas (Cap. 1): 18–23, 28–30, 32–37, 26, 43, 63

Lopez Cancio (Problemas de Quımica): 2.1–2.2

Ecuaciones quımicas.

Atkins (§H): 1–4, 6, 7, 9, 11, 12, 18, 5, 8, 10, 15–17

1000 problemas (Cap. 8): 1–3



¿Cuanto reacciona? Reactivo limitante y rendimiento

¿Que cantidad de producto se puede obtener como maximo?

Reactivo limitante

La reaccion se produce hasta que se agota uno de los reactivos

EJEMPLO: REACCION EN LEVADURA. ESTEQUIOMETRIA DE REACCION. REACTIVO LIMITANTE.

¿Que cantidad de producto se obtiene realmente?

Rendimiento porcentual

R =masa real producto

masa maxima (estequiometrica) producto× 100

EJEMPLO: REACCION EN LEVADURA. ESTEQUIOMETRIA DE REACCION. RENDIMIENTO.



Repaso de conceptos y problemas §1.2 (II)


Estequiometrıa de reaccion

Atkins (conceptos basicos): §L.1 y §L.2

Atkins (reactivo limitante y rendimiento): §M.1 y §M.2


Estequiometrıa de reaccion: conceptos basicos

Atkins (§L): 1–5, 7, 8, 18, 21–23

1000 problemas (Cap. 8): 4, 18, 20, 24, 28

Estequiometrıa de reaccion: reactivo limitante y rendimiento

Atkins (§M): 1, 2, 4, 6, 5, 18

1000 problemas (Cap. 8): 48, 50, 63

Lopez Cancio (Problemas de Quımica): 2.21, 2.23, 2.25, 2.33



Trabajo tutorizado: levaduras quımicas

Experiencia en casa: preparando madalenas

Observa el volumen y la textura de las madalenas cocinadas de tres formasdistintas:

Sin anadir levadura ni bicarbonato a la masa.

Anadiendo 1 gramo de bicarbonato.

Anadiendo levadura. Si usas “litines” emplea medio sobre de cadacomponente. Si usas “royal” emplea la octava parte de un sobre(unos 2 gramos).





Usa la siguiente formula para la masa:

55 g de harina

6 g de azucar

1,5 g de sal

12 ml de huevo ligeramente batido

60 ml de leche

10 g de aceite vegetal





Puedes usar la siguiente receta

Mezcla bien los ingredientes secos en un bol.

Anade el huevo, la leche y el aceite y mezclalos bien.

Rellena un molde conteniendo papel para madalenas con la masa,procurando llegar hasta el mismo nivel en los tres casos.

Mantenlo en el horno a 220 ◦C durante 20 minutos.

Saca las madalenas de los moldes y dejalas enfriarse.




Trabajo Tutorizado: levaduras quımicas.

Elabora un informe sobre las levaduras empleando los resultados obtenidosen la experiencia en casa y la siguiente referenciaFood Chemistry. A laboratory manual (Dennis D. Miller), Capıtulo 2




Trabajo Tutorizado: levaduras quımicas.

Estructuralo como un informe cientıfico-tecnico:

Primera pagina: tıtulo, autor, fecha, resumen y objetivos.

Introduccion: tipos de levaduras y reacciones quımicascorrespondientes.

Resultados: describe como has preparado las madalenas y lo que hasobservado al emplear distintos aditivos para aumentar su volumen.

Discusion: analiza los resultados obtenidos en relacion a lainformacion recabada en la introduccion.

Conclusiones

Bibliografıa


Estructura de la materia

Resumen del Tema

1 Conceptos fundamentales en Quımica

2 Estructura de la materiaEstructura atomica y propiedades periodicasEl enlace quımicoFuerzas intermoleculares, polaridad y enlace de hidrogenoCaracterısticas esenciales de gases y lıquidos


4 Termoquımica



7 Cinetica quı[email protected], [email protected] (U.A.)Quımica Aplicada. Grado en Nutricion. Curso 2010-2011 16 / 55

Estructura de la materia Estructura atomica y propiedades periodicas

Los atomos se agrupan segun su configuracion electronica

Las reacciones quımicas son transformaciones entre diferentesagrupaciones de atomos, pero...

¿Por que los atomos se agrupan para formar elementos o compuestos?

¿Por que solo se agrupan en ciertas proporciones bien definidas?

¿Por que elementos diferentes tienen propiedades diferentes?

Los atomos de cada elemento poseen un nucleo muy pequeno conteniendoun determinado numero (Z) de protones (+) rodeado de Z electrones (-) ycuando se acercan unos a otros interaccionan en funcion del numero deelectrones y de su distribucion → configuracion electronica



Construyendo atomos

Los electrones se distribuyen ocupando por orden energetico regionesespaciales denominadas orbitales cuyo tamano, forma, orientacion yenergıa dependen de tres numeros enteros n, l , ml y que pueden albergarun maximo de 2 electrones cada uno

Orbital n=1,2,3... l=0,1,...,n-1 ml=l ,l-1,...,-l1s 1 0 02s 2 0 02p1, 2p0, 2p−1 2 1 1,0,-13s 3 0 03p1, 3p0, 3p−1 3 1 1,0,-13d2, 3d1, 3d0, 3d−1, 3d−2 3 2 2,1,0,-1,-2



Construyendo atomos


1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f5s 5p 5d 5f 5g6s 6p 6d 6f ...7s 7p ......



Construyendo atomos


Elemento Z Diagrama de orbitales Config. elect.

H 1 1s1

He 2 1s2

Li 3 1s22s1

Be 4 1s22s2

B 5 1s22s22p1

C 6 1s22s22p2



Propiedades periodicas

Las propiedades quımicas dependen de los electrones de valencia: los masexternos, pues son los que intervienen en los enlaces quımicos. Por ello sonsimilares para los atomos que poseen el mismo numero y tipo deelectrones: fundamento de la tabla periodica.

Gases nobles np6

He 1s2

Ne 1s22s22p6

Ar 1s22s22p63s23p6

Alcalinos ns1

Li [He]2s1

Na [Ne]3s1

K [Ar]4s1

Halogenos np5

F [He]2s22p5

Cl [Ne]3s23p5

Br [Ar]4s23d104p5



Repaso de conceptos y problemas §2.1

Repasa los conceptos y complementalos con las siguientes fuentes

Estructura atomica

Atkins: §B.2, §1.8–§1.12


Atkins: §B.5, §1.13, §14.1


Estructura atomica

Atkins: B.16–B.19, B.23, 1.41–1.56, 1.61–1.72

1000 problemas (Cap. 5): 37–39, 42, 48, 50


Atkins: 14.1–14.4

1000 problemas (Cap. 6): 2, 3, 7, 37, 38


Estructura de la materia El enlace quımico

Diferencia electronegatividad → tipo enlace → propiedades

Electronegatividad: capacidad de un elemento para atraer los electrones enun compuesto quımico → tipo de enlace. Regla del octeto: los atomosintentan conseguir la estructura electronica del gas noble mas proximo

Tipo de enlace Electronegatividad Mecanismo No. atomosIonico Alta + Baja Transferir e− (iones) MuchosCovalente Alta + Alta Compartir pocos e− Pocos: moleculasMetalico Baja + Baja Compartir muchos e− Muchos



Enlace covalente: estructuras de Lewis

Los electrones en orbitales s o p mas externos se representan con puntos

Los atomos comparten electrones hasta conseguir los de un gas noble, y seenlazan mediante pares de electrones comunes: 1-simple , 2=doble , 3≡triple

EJEMPLO: DETERMINACION DE ESTRUCTURAS DE LEWIS.



Enlace covalente: estructuras de Lewis

Los electrones en orbitales s o p mas externos se representan con puntos

Los atomos comparten electrones hasta conseguir los de un gas noble, y seenlazan mediante pares de electrones comunes: 1-simple , 2=doble , 3≡triple

Acido mirıstico (saturado) Acido cis-oleico (insaturado)



Enlace covalente: geometrıa molecular y teorıa RPECV

Los enlaces alrededor de un atomo se disponen de manera que la repulsionentre el numero total de pares de electrones (NPE) y de pares nocompartidos (NNC) sea mınima: metodo RPECV

NPE NNC Geometrıa molecular Representacion Ejemplos

2 0 Lineal

3 0 Trigonal plana

3 1 Angular






4 0 Tetraedrica

4 1 Piramidal trigonal

4 2 Angular






5 0 Trigonal bipiramidal

5 1 Balancın

5 2 Forma de T

5 3 Lineal






6 0 Octaedrica

6 1 Tetragonal piramidal

6 2 Cuadrada plana

EJEMPLO: METODO RPECV.





Enlace quımico

Atkins: §2.0, §2.1, §2.3, §2.5, §5.9 §5.11

Estructuras de Lewis

Atkins: §2.4, §2.6–§2.11

TRPECV

Atkins: §3.0–§3.2


Enlace quımico y estructuras de Lewis.

Atkins (Cap. 2): 5, 6, 7, 8, 19–22, 27, 28, 33–36, 42, 43, 49, 55–58

1000 problemas (Cap. 7): 2, 15

TRPECV. (no es necesario indicar los angulos de enlace)

Atkins (Cap. 3): 1–12, 26–30

1000 problemas (Cap. 7): 21, 25


Estructura de la materia Fuerzas intermoleculares, polaridad y enlace de hidrogeno

Polaridad

Diferencia de electronegatividad → enlaces polares→ dipolo electrico caracterizado por el momento dipolar ~p = q · ~L

Moleculas poliatomicas: ~p =∑

~penlaces~p = 0: molecula apolar ~p 6= 0: molecula polar



Fuerzas intermoleculares

La polaridad determina la interaccion entre moleculas → proximidad→ propiedades: estado agregacion, solubilidad, dureza...

Polaridad Interaccion Intensidad EjemplosPolar + Polar Dipolo-dipolo ↑ ~p acetona-clorofila

Apolar + Apolar Dispersion ↑ tamano provitamina A-pentano

Apolar + Polar Dipolo-dipolo inducido debil pentano-clorofila



Enlace de hidrogeno

Interaccion del tipo −δX1 − Hδ+ · · · · · ·X δ−2 ; X1,X2 = F, O, N

Direccional y de fortaleza intermedia

Propiedades del aguaEstructura de macromoleculas

Metabolismo





Polaridad

Atkins: §2.13, §3.3


Atkins: §5.0, §5.1, §5.3, §5.4

Enlace de hidrogeno

Atkins: §5.5


Polaridad

Atkins: 2.59–2.62, 3.17–3.20, 3.67


Atkins (Cap. 5): 1, 3, 4, 13, 69

Enlace de hidrogeno

Atkins (Cap. 5): 7, 8


Estructura de la materia Caracterısticas esenciales de gases y lıquidos

Gases

Los gases son fluidos (su forma de adapta a la del recipiente) isotropos(identicas propiedades en todas las direcciones) de baja densidad y altacompresibilidad (grandes distancias entre moleculas)

El estado de un gas se determina por el valor de su presion P (atm),volumen V (L), temperatura T (◦C, K= ◦C+273) y moles n

los cuales se relacionan entre sı mediante la ecuacion de estado

PV = nRT

donde R=0.082 atm L/mol K se denomina constante de los gasesEJEMPLO: GASES EN UNA REACCION QUIMICA.



Lıquidos

Los lıquidos son fluidos isotropos de alta densidad y baja compresibilidaddebido a la cercanıa entre las moleculas

Evaporacion: una fraccion de moleculas de la superficie pasa a estado gas

Recipiente cerrado: equilibrio lıquido-vapor → presion de vapor: pv (T )

Recipiente abierto pext > pv : evaporacion progresiva

Recipiente abierto pext = pv : ebullicion





Gases

Atkins: §4.0–4.3, §4.7–§4.10

Lıquidos

Atkins: §5.6, §8.1–§8.4


Gases.

Atkins (Cap. 4): 1, 2, 11–16, 19–24, 27–38, 39, 41, 42, 45–48, 51, 52

1000 problemas : 2.6, 2.9–2.14, 2.16, 2.17, 8.6–8.12, 8.21, 8.26, 8.29,8.31, 2.18, 2.20, 2.28, 8.13, 8.23

Lıquidos.

Atkins (Cap. 8): 3, 4


Agua, disoluciones acuosas y coloides

Resumen del Tema



3 Agua, disoluciones acuosas y coloidesCaracterısticas relevantes del aguaEl agua como disolventeCaracterısticas esenciales de las dispersiones coloidales

4 Termoquımica



7 Cinetica quımica


Agua, disoluciones acuosas y coloides Caracterısticas relevantes del agua

¿Sabıas que, debido a sus propiedades, el agua?

Es esencial para los seres vivos

Es el medio donde ocurren todas las reacciones bioquımicas, componiendoel 75%-95% de las celulas

Ello se debe, fundamentalmente a dos razones:

Un valor inusualmente elevado de ciertas propiedades fısicas

Su capacidad como disolvente

en las que los enlaces por puente de hidrogeno juegan un papel decisivo



Debido a los enlaces por puente de hidrogeno, el agua:

Amortigua los cambios de temperatura

Su elevado calor especıfico (Ce = q/m∆T ) le permite captar/cedergrandes cantidades de calor con pequenas variaciones de T

La temperatura del cuerpo varıa poco a pesar de una elevacion bruscade la temperatura del medio ambiente o en algun organo.

Aunque la actividad metabolica produce 2000–3000 cal por dıa, la T

es aproximadamente constante.



Debido a los enlaces por puente de hidrogeno, el agua:

Disipa elevaciones localizadas de la temperatura

Su elevada conductividad termica le permite mantener una temperaturauniforme en celulas y tejidos

Evita elevaciones altas y bruscas de la temperatura

Su alto calor latente de evaporacion (calor necesario para evaporar ungramo de agua) es aprovechado en la sudoracion para evitar subidasexcesivas de temperatura que podrıan danar los tejidos


Agua, disoluciones acuosas y coloides El agua como disolvente

Capacidad del agua como disolvente

Agua como disolvente: facilidad formacion/ruptura enlace de hidrogeno

Buen disolvente de intermedios metabolicos: favorece procesos biologicos

Agua como disolvente: elevada polaridad

Buen disolvente de sustancias polares y compuestos ionicos: solvatacion



Unidades de concentracion mas comunes

Nombre DefinicionMolaridad (M) Moles de soluto / L disolucionMolalidad (m) Moles de soluto / kg disolventeFraccion molar (X) Moles de soluto / moles totalesRazon molar Moles de soluto / moles de disolventeFraccion masica Gramos soluto / gramos totalesRazon masica Gramos soluto / gramos disolventePorcentaje en peso (w/w) (gramos soluto / gramos totales)*100Gramos por litro Gramos soluto / L disolucionPartes por millon (ppm) en peso mg de soluto / kg de disolucionPartes por millon (ppm) en vol. mg de soluto / L de disolucion% soluto g soluto / g totales muestra *100

EJEMPLO: PREPARACION DE DISOLUCIONES.



Repaso de conceptos y problemas §3.1 y §3.2


El agua como disolvente

Atkins: §G.3, §G.4, §5.2, §8.8, §8.9


Disoluciones

Atkins (§G): 5, 6, 9–11, 17, 18, 7, 8, 12–14, 16, 21

1000 problemas: 3.4, 3.15, 3.17, 3.18, 3.5, 3.6, 3.13, 3.21, 3.28, 3.29, 3.33,3.36, 3.47, 3.37, 3.41, 3.45, 8.56, 8.59


Agua, disoluciones acuosas y coloides Caracterısticas esenciales de las dispersiones coloidales

Estabilidad de dispersiones coloidales

¿Que es una dispersion coloidal?

Es una mezcla heterogenea de partıculas entre 1 y 200 nm, denominadafase dispersa distribuidas en el seno de una fase dispersante.

¿De que depende su estabilidad?

De factores que impidan que las partıculas de la fase dispersa se unanentre sı, separandose de la fase dispersante: iones o emulsificantes



Coloides en la alimentacion

Los coloides se clasifican segun el estado de agregacion de la fase dispersay la fase dispersante

F. Dispersante F. Dispersa NombreGas Lıquido/Solido AerosolLıquido Gas/Lıquido/Solido Espuma/Emulsion/SolSolido Gas/Lıquido/Solido Espuma/Gel/Sol

Muchos alimentos son coloides, como las salsas y los derivados lacteos

Mayonesa Crema de leche Nata montada Mantequillaaceite en agua grasa en agua aire en grasa agua en grasa





Caracterısticas generales de los coloides

Atkins: §15.13

Coloides en la alimentacion

H. This (“Molecular Gastronomy”): Caps. 2, 8, 58–63, 88, 89.


Coloides

Atkins (Cap. 15): 51


Termoquımica

Resumen del Tema




4 TermoquımicaEnergıa y reacciones quımicasEl aporte calorico de los alimentos



7 Cinetica quımica


Termoquımica Energıa y reacciones quımicas

Conceptos termodinamicos previos: sistema y entorno

Tipos de sistemas

Un sistema es aquella parte del Universo que nos interesa estudiar,denominandose pared a la frontera que lo separa del resto, llamadoentorno. Pueden ser abiertos, cerrados o aislados.



Conceptos termodinamicos previos: energıa, trabajo y calor

La energıa, E , de un sistema es la suma de sus energıas interna, U,(composicion); cinetica, Ec , (movimiento) y potencial, Ep, (posicion)

E = U + Ec + Ep

La cantidad de energıa transferida entre un sistema y su entorno que sepuede usar en mover objetos se denomina trabajo (w) y al resto calor (q).

Primer Principio de la Termodinamica∆E = Ef − Ei = q + w

El cambio de energıa en un sistema cerradoes igual a la cantidad de energıa transferidaentre el y su entorno. Sistema en reposo:∆U = q + w .



Energıa en reacciones quımicas. Reaccion estandar.

Al producirse una reaccion quımica cambia la composicion del sistema→ cambia su energıa interna (U =

∑

i niU i )

V constante: ∆U = qvP constante: ∆H = qp (H = U + PV es la entalpıa)

Reaccion estandar (T y P fijas). Entalpıa de reaccion estandar ∆H◦.

Estado inicial: cantidad estequiometricade reactivos en estados estandar

Estado final: cantidad estequiometricade productos en estados estandar

Ejemplo: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2OH◦productos

H◦reactivos

Entalpıa

(H)

C6H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O

∆H◦ = qp < 0



Reaccion estandar de formacion. Ley de Hess.

Reaccion y entalpıa estandar de formacion ∆H◦f

Reaccion estandar en la que se forma un mol de una sustancia a partir delos elementos en su estado mas estable → ∆H◦

f

C+O2 → CO2 ∆H◦

f(1)

H2+1/2O2 → H2O ∆H◦

f(2)

6C+6H2+3O2 → C6H12O6 ∆H◦

f(3)

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O ∆H◦

r ?∆H◦

r = 6∆H◦

f(1) + ∆H◦

f(2)−∆H◦

f(3)

Ley de Hess

Si una reaccion quımica se obtiene como combinacion de otras reacciones,la misma combinacion se puede aplicar a ∆H◦ y ∆U◦.

∆H◦=∑prod

ini∆H◦

f(i)−

∑reactj nj∆H◦

f(j)





Conceptos termodinamicos

Atkins: §6.0–§6.2, §6.4, §6.6

Entalpıa y reaccion estandar

Atkins: §6.9, §6.14, §6.16

Ley de Hess y reaccion de formacion estandar

Atkins: §6.17, §6.19


Conceptos termodinamicos

Atkins (Cap. 6): 1, 5, 7, 8, 11

1000 problemas (Cap. 9): 2, 3

Entalpıa y reaccion estandar

Atkins (Cap. 6): 39, 40, 42–44

1000 problemas (Cap. 9): 13,

Ley de Hess y entalpıas de formacion estandar

Atkins (Cap. 6): 51, 53, 54, 57, 58, 63, 64, 55, 62, 89, 91, 105

1000 problemas (Cap. 9): 16, 17, 32, 14, 15, 18, 20, 24


Termoquımica El aporte calorico de los alimentos

El aporte calorico de los alimentos

Las necesidades energeticas del cuerpo humano se proveen por el contenidocalorico de los alimentos: el C y el H de estos se convierten, mediante elmetabolismo oxidativo, en CO2 y H2O, liberandose energıa en el proceso.

Energıa consumida aprox. (kcal)Metabolismo basal 1700Actividad diaria 1650ADE (procesado alim.) 170Total 3520Energıa liberada oxidac. (kcal/g)Aceite de oliva 9Glucosa 3,7Proteınas 5,3-5,9

U◦productos

U◦reactivos

Energıa

interna(U

)

C6H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O

∆U◦ = qv < 0

Experimentalmente el “valor calorico bruto” (qv = ∆U◦) de un alimentose mide con una bomba calorimetrica

∆U◦ = qv = −(mH2O · Ce,H2O ·∆T + Ccal ·∆T )


Termoquımica El aporte calorico de los alimentos



Calorimetrıa

Atkins: §6.5, §6.6, §6.9, §6.15


Calorimetrıa

Atkins (Cap. 6): 19, 20, 92


Equilibrios quımicos

Resumen del Tema




4 Termoquımica



7 Cinetica quımica


Aplicaciones de los equilibrios quımicos

Resumen del Tema




4 Termoquımica



7 Cinetica quımica


Cinetica quımica

Resumen del Tema




4 Termoquımica



7 Cinetica quımica


Problemas del Tema 1

Problema tıpico de estequiometrıa

La siguiente reaccion entre el dihidrogenofosfato sodico y el bicarbonatosodico se produce al emplear ciertas levaduras

NaH2PO4(ac) + NaHCO3(ac) → Na2HPO4(ac) + H2O(l) + CO2(g)

a) Determine la masa molar de cada una de las especies involucradas.

MNaH2PO4 = 22, 9898 + 2 · 1, 0079 + 30, 9738 + 4 · 15, 9994 g/mol =119,9770 g/molMNaHCO3 = 22, 9898 + 1, 0079 + 12, 011 + 3 · 15, 9994 g/mol =84, 007 g/molMNa2HPO4 = 2 · 22, 9898 + 1, 0079 + 30, 9738 + 4 · 15, 9994 g/mol =141, 9589 g/molMH2O = 2 · 1, 0079 + 15, 9994 g/mol = 18, 0152 g/molMCO2 = 12, 011 + 2 · 15, 9994 g/mol = 44, 010 g/mol






b) Calcule el numero de moles de NaH2PO4 presentes en 20,00 g dedicha sustancia. ¿Cuantos atomos de Na, H, P y O hay en dichacantidad?

nNaH2PO4= 20,00 g

119,9770 g/mol = 0.1667 mol

Atomo ni = νi · nNaH2PO4Ni = ni · 6, 023× 1023

Na 0.1667 1, 004×1023

H 2·0.1667=0.3334 2, 008×1023

P 0.1667 1, 004×1023

O 4·0.1667=0,6668 4, 016×1023






c) ¿Que masa de CO2 se obtendrıa al mezclar 20,00 g de NaH2PO4 con excesode NaHCO3?

De la reaccion ajustada se tiene que, por cada mol de NaH2PO4 quereacciona, se forma uno de CO2.

Como hay exceso de NaHCO3, el reactivo limitante es el NaH2PO4.

Por tanto, se forman tantos moles de CO2 como moles de NaH2PO4

reaccionan. Asumiendo que reaccionan todos, se tiene pues que:nCO2

= nNaH2PO4= 0, 1667 mol.

Una vez conocidos los moles de CO2 formados, determinamos la masa deeste ultimo: mCO2

= nCO2·MCO2

= 0, 1667 mol · 44, 010 g/mol = 7, 336 g.






d) ¿Que masa de CO2 se obtendrıa al mezclar 20,00 g de NaHCO3 con excesode NaH2PO4?

De la reaccion ajustada se tiene que, por cada mol de NaHCO3 quereacciona, se forma uno de CO2.

Como hay exceso de NaH2PO4, el reactivo limitante es el NaHCO3.

Por tanto, se forman tantos moles de CO2 como moles de NaHCO3

reaccionan. Asumiendo que reaccionan todos, se tiene pues que:nCO2

= nNaHCO3= 20,00 g

84,007 g/mol = 0, 2381 mol.

Una vez conocidos los moles de CO2 formados, determinamos la masa deeste ultimo: mCO2

= nCO2·MCO2

= 0, 2381 mol · 44, 010 g/mol = 10, 478 g.






e) En vista del anterior resultado, ¿cual es el reactivo limitante si mezclamos20 g de NaH2PO4 con 20 g de NaHCO3?

Como, por cada mol de NaH2PO4 se consume uno de NaHCO3, aquel delque tengamos menos moles sera el reactivo limitante.

De los dos apartados anteriores se tiene que nNaH2PO4= 0, 1667 mol y

nNaHCO3= 0, 2381 mol, por lo que el reactivo limitante es el NaH2PO4.






f) ¿Cuantos gramos de CO2 se obtendrıan en las condiciones del apartado e)?¿Cuantas moleculas de CO2 hay en dicha cantidad?

Dado que el reactivo limitante es del NaH2PO4 reaccionaran los 0,1667moles de este con 0,1667 moles de NaHCO3, del cual sobraran0,2381-0,1667=0,0714 mol.

Por tanto, se formaran 0,1667 mol de CO2, obteniendose masamCO2

= nCO2·MCO2

= 0, 1667 mol · 44, 010 g/mol = 7, 336 g.

El numero de moleculas contenido en dicha cantidad de moles es deNCO2

= 0, 1667 · 6, 023× 1023 = 1, 004× 1023.






g) ¿Cual serıa el rendimiento porcentual de la reaccion si la masa de CO2

realmente obtenida en las condiciones del apartado e) fuese de 6,24 g?

Aplicando la definicion de rendimiento porcentual, y sabiendo que comomaximo se podrıan obtener 7,336 g de CO2, se tiene que:

R =6, 24 g

7, 336 g× 100 = 85, 1%



Problema tıpico de estructuras de Lewis y TRPECV

Determine la estructura de Lewis de la molecula de SiCl4.Un procedimiento general consiste en realizar los siguientes pasos:

a) Se calcula V = suma de los electrones de valencia de cada atomo

V = VSi + 4 · VCl = 4 + 4 · 7 = 32

(Se adiciona un numero de electrones igual a la carga del anion o sesustrae un numero de electrones igual a la carga del cation.Innecesario en este caso.)

b) Se calcula A = 6N + 2; N = numero de atomos distintos del H

A = 6 · 5 + 2 = 32

(A es el numero mınimo de electrones necesarios para formar unaestructura no cıclica mediante enlaces simples.)





c) Se calcula el numero de enlaces extra EE = (A− V )/2

Si EE = 0 no hay ni enlaces multiples ni anillos.

Si EE = 1 habra un enlace doble o un anillo.

Si EE = 2 habra o dos enlaces dobles o dos anillos o un enlace doble y unanillo o un enlace triple.

Si EE =-1 solo enlaces simples, atomo central con 10 electrones: octetoexpandido (tercer periodo en adelante).

Si EE =-2 solo enlaces simples, atomo central con 12 electrones: octetoexpandido (tercer periodo en adelante).

EE = (A− V )/2 = 0 7−→ no hay enlaces multiples.





d) Se anaden pares de electrones sin compartir hasta que se cumpla laregla del octeto (u octeto expandido)

Si��

..Cl:..

@@..Cl:..

��..:Cl..

@@

..:Cl..

e) Se comprueba que los pares de electrones de la molecula son V /2




Determine la estructura de Lewis de la molecula de SiCl4.Una vez conocida la estructura de Lewis, podemos usar el metodo RPECVpara determinar la disposicion de los enlaces

NST= 4, NPS= 0 7−→ tetraedrica

��Si

..:Cl:

!!..:Cl..

:Cl:..

aa..Cl:..

TRPECV



Problema tıpico de estequiometrıa y gases



¿Que volumen de CO2 se obtendrıa al mezclar 20,00 g deNaH2PO4 con exceso de NaHCO3 a 25◦C y 1 atm?

De la reaccion ajustada se tiene que, por cada mol de NaH2PO4 quereacciona, se forma uno de CO2.

Como hay exceso de NaHCO3, el reactivo limitante es el NaH2PO4.

Por tanto, se forman tantos moles de CO2 como moles de NaH2PO4

reaccionan. Asumiendo que reaccionan todos, se tiene pues que:nCO2 = nNaH2PO4 = 0, 1667 mol.

Conocido nCO2 , determinamos el volumen con la ecuacion de estadodel gas idealV = nCO2

RT/P= 0,1667 mol · 0,082 atm L/mol K · 298 K/1 atm=4,07 L.



Problema tıpico de preparacion de disoluciones

Queremos preparar 1 litro de cada una de las dos siguientes disolucionesde sacarosa (M=342,3 g/mol) siguientes: 0,01 M y 0,04 M.

a) ¿Cuantos gramos de sacarosa es necesario pesar en cada caso?

Como [sac] = nsac/V y conocemos el valor de V y [sac], despejamoslos moles en cada caso nsac = [sac] · V :0,01 M → nsac. = 0,01 mol/L·1 L=0,01 mol0,04 M → nsac. = 0,04 mol/L·1 L=0,04 mol

Multiplicando los moles por la masa molar obtenemos los gramos quehay que pesar de sacarosa en cada caso: 3,42 g y 13,69 g,respectivamente.

Una vez pesadas las cantidades anteriores las pasarıamos a un matrazaforado de un litro y anadirıamos agua hasta la marca del enrase.



Problema tıpico de preparacion de disoluciones

Queremos preparar 1 litro de cada una de las dos siguientes disolucionesde sacarosa (M=342,3 g/mol) siguientes: 0,01 M y 0,04 M.

b) ¿Que volumen de la disolucion 0,4 M es necesario pipetear parapreparar 1 litro de la disolucion 0,1 M?

Al diluir una disolucion anadiendo disolvente, los moles de soluto nocambian, pero al aumentar el volumen la concentracion disminuye

nsac = [sac]conc · Vconc = [sac]dil · Vdil

Despejando, es necesario pipetear y verter en un aforado de 1 L

Vconc = Vdil ·[sac]dil[sac]conc

= 1 L ·0, 1 M

0, 4 M= 0, 25 L

Despues anadimos agua hasta la marca del matraz aforado.


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