Quimica propedeutico

download Quimica propedeutico

of 61

Transcript of Quimica propedeutico

1

INDICE GENERAL1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Introduccin.....................................................................................................3 Cantidades y unidades.....................................................................................5 Materia y energa............................................................................................19 tomos, moles y molculas............................................................................30 Tabla Peridica de los elementos...................................................................51 Enlaces Qumicos...........................................................................................69 Nomenclatura y reacciones Qumicas............................................................78 Estado gaseoso...............................................................................................105 Estequiometra.................................................................................................122

10. Agua y propiedades de los lquidos................................................................142 11. Soluciones.......................................................................................................153 12. Coloideo..........................................................................................................176 Manual de laboratorio....................................................................................184 Glosario.........................................................................................................206 Referencias bibliogrficas..............................................................................212

Ing. Luca Jimnez

2

1. INTRODUCCIONHISTORIA Y CLASIFICACION Qumica es la ciencia de la composicin, estructura, propiedades y reacciones de la materia, especialmente de los sistemas atmicos y moleculares. La qumica es una rama fundamental del conocimiento, est estrechamente relacionada con la Biologa, no solo porque los organismos vivos estn constituidos por sustancias materiales, sino porque la vida misma es un complicado sistema de procesos qumicos interrelacionados. Qu es la Qumica? La qumica es la ciencia que estudia los caracteres, las propiedades de los cuerpos simples o compuestos y sus afinidades, es decir, la manera segn la cual se unen o se separan para formar cuerpos nuevos dotados de nuevas propiedades. La qumica, adems de estudiar los cuerpos que existen en la naturaleza trata de descomponerlos, reproducirlos y fabricar otros nuevos. La qumica puede dividirse en cuatro partes: 1. La qumica general o qumica pura, que estudia la estructura ntima de los cuerpos; su campo de investigacin esta ligado a la fsica. 2. La qumica mineral estudia los minerales y sus derivados. Comprende tambin los compuestos oxigenados del carbono. 3. La qumica orgnica que estudia los compuestos del carbono y en particular los cuerpos que entran en la composicin de animales y plantas. 4. La qumica aplicada cuyas investigaciones tienen utilidad en la industria, la medicina, la farmacologa, la agricultura, etc. La qumica tiene una gran cantidad y diversidad de conocimientos por lo que se ha creado la necesidad de otras divisiones como: Qumica Inorgnica.- es la qumica que estudia todos los elementos y sustancias minerales e inorgnicas incluido el carbono. Qumica Orgnica.- estudia las sustancias orgnicas, compuestos del carbono obtenidos por sntesis con excepcin de los vistos anteriormente en la qumica inorgnica. Fsico Qumica.- Es el estudio de los aspectos tericos de la estructura y cambios de la materia, como por ejemplo por qu se forman los enlaces y por qu hay cambios de energa. Bioqumica.- es la qumica que est aplicada a la biologa, estudia la composicin qumica de los seres vivos y los cambios que sufren las sustancias en el interior de estos. Qumica Analtica.- es el fundamento experimental de la qumica. Estudia la composicin Ing. Luca Jimnez

3 de la materia, separa e identifica los componentes qumicos de una muestra determinada de materia; est puede ser: Cualitativa. Determina que est formada una sustancia. Cuantitativa. Determina las proporciones o porcentajes de cada una de las sustancias. Se considera que la qumica nace desde la poca de la prehistoria, donde se utiliza el fuego en la metalurgia para preparar ladrillos y alfarera. La qumica como ciencia puede ser asignada al ao 400 a.C., cuando se propuso la teora de que todo estaba compuesto de cuatro elementos, tierra, aire, fuego y agua. Aristteles (384 a.C.) propuso tambin que haba propiedades fundamentales calor, fro, seco y mojado. Los primeros libros de qumica fueron escritos en Egipto cerca del ao 300 d.C. El trmino qumica significaba arte egipcio. En esta misma poca la alquimia surgi como una ciencia que trataba los cambios de un elemento en otro. La mayora de sus proponentes esperaban cambiar los metales bsicos como hierro y cobre en oro. Esta ciencia tuvo probablemente su comienzo en China cerca del ao 140 a.C. y lleg a Europa a travs de Espaa durante el siglo XII. En Europa en los siglos XVI y XVII la qumica se preocupo de las aplicaciones en medicina es as que los primeros profesores de qumica fueron mdicos. En este periodo se inicia el estudio de los gases y se hacen experimentos cuantitativos. El primer libro de Qumica fue escrito en 1597. En el siglo XVII Robert Boyle hizo algunos estudios y determin la relacin entre volumen y presin en un gas. A principios del siglo XVIII, George Stahl propuso la Teora del flogisto, definindose al flogisto como una sustancia de material combustible que se liberaba cuando se quemaba la materia. Esta teora fue el principio de la Qumica. Durante la ltima mitad del siglo XVIII se realizaron ms trabajos relacionados con el estado gaseoso ejecutados por Joseph Black, Cavendish, Priestly, Scheele. El qumico francs Antoine Laurant Lavoisier (17439 -1794) es denominado como el padre de la qumica moderna. Su teora sobre combustin en la que propuso que el oxgeno era necesario para la combustin, fue la que determino la derrota de la teora del flogisto. Entre sus aportes, l demostr que el agua est compuesta de hidrgeno y oxgeno, dio la definicin de elemento, propuso un sistema de nomenclatura qumica y demostr que el oxgeno es el principal componente del aire. Al principio del siglo XIX se utilizaron evidencias experimentales para demostrar que la materia esta compuesta de tomos (Dalton). A esto le sigui el desarrollo de la Ley Peridica y el desarrollo de teoras de la estructura del tomo y la formacin de compuestos en el siglo XX. Junto a esto, hubo y continan los descubrimientos en los aspectos tcnicos sobre la naturaleza de la materia y sus aplicaciones en varias ramas de la qumica.

Ing. Luca Jimnez

4

2. CANTIDADES Y UNIDADESLa mayor parte de las medidas y clculos en Qumica y Fsica se expresan en cantidades de diferentes magnitudes. Cada medida incluye un nmero y una unidad. La unidad identifica la clase de dimensin y la magnitud de la cantidad de referencia usada como base de comparacin. El nmero indica cuantas veces la unidad de referencia est contenida en la cantidad que ha sido medida. SISTEMAS DE MEDIDA Se considera hasta la actualidad que las tres dimensiones fundamentales de referencia son longitud, masa y tiempo y en funcin de estas se derivan otras como la velocidad que es considerada como una unidad de longitud por unidad de tiempo. Existen un sinnmero de sistemas de unidades que utilizan diversas unidades de medida y es necesario conocer las relaciones existentes entre las diferentes unidades como por ejemplo la relacin de pulgadas en centmetro, o libras en kilogramos. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES La existencia de gran nmero de diversas unidades, creaba dificultades en las relaciones internacionales de comercio, en el intercambio de resultados de investigaciones cientficas, etc. Como consecuencia los cientficos de diversos pases intentaron establecer unidades comunes, vlidas en todos ellos. Durante la Revolucin Francesa se cre el Sistema Mtrico Decimal que, segn sus autores, debera servir en todos los tiempos, para todos los pueblos, para todos los pases. Su caracterstica principal es que las distintas unidades de una misma magnitud se relacionan entre s como exponentes enteros de diez. Desde mediados del siglo XIX, el sistema mtrico comenz a difundirse ampliamente, fue legalizado en todos los pases y constituye la base de las unidades que sirven para la medicin de diversas magnitudes en la Fsica, en otras ciencias y en la ingeniera. El sistema Internacional ha clasificado a las Medidas de la siguiente manera: UNIDADES SI FUNDAMENTALES. Magnitud Nombre Smbolo Longitud metro m Masa kilogramo Kg Tiempo segundo s Intensidad de corriente elctrica Ampere A Temperatura termodinmica Kelvin K Cantidad de sustancia mol mol Intensidad luminosa candela Cd UNIDADES SI SUPLEMENTARIAS Magnitud Angulo plano Angulo slido Ing. Luca Jimnez Nombre Radin Estereorradin Smbolo rad sr

5 UNIDADES SI DERIVADAS Magnitud Superficie Volumen Velocidad Aceleracin Masa / volumen ( ) Velocidad angular Aceleracin angular Frecuencia Fuerza Presin Energa, trabajo Cantidad de calor Potencia Nombre Metro cuadrado Metro cbico Metro por segundo Metro por segundo cuadrado Kilogramo por metro cbico Radian por segundo Radian por segundo cuadrado Hertz Newton Pascal Joule Watt Mltiplos y submltiplos decimales Factor 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 Prefijo Exa Penta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca Smbolo E P T G M k h da Factor 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 Prefijo Deci Centi Mili Micro Nano Pico Femto Atto Smbolo d c m n P f a Smbolo m2 m3 m/s m/s2 kg/m3 rad/s rad/s2 Hz N Pa J W

Masa y peso (kg) Masa es la cantidad de materia de una muestra en particular de ella. La masa de un cuerpo es constante y es la misma en cualquier sitio que se la mida. El peso de un cuerpo, es la fuerza gravitacional de atraccin entre la masa del cuerpo y la masa del planeta en el cual ste es pesado. UNIDADES 1 ounce - onza (oz) = 28.35 gramos (g) 1 pound - libra (Ib) = 453.6 gramos (g) 1 gramo (g) = 103 (mg) = 106 g 1 Tonelada (Tn) = 103 (kg) 1 Quintal = 100 (lb) = 4@ 1 kg = 1000 g = 2.205 lb 1 g = 1000mg = 106 g = 109g Longitud (m) La longitud es una magnitud fundamental que permite determinar el largo, ancho o profundidad de un cuerpo, se mide simplemente con una regla graduada. Ing. Luca Jimnez

6 UNIDADES 1 inch / pulgada (in) = 2.54 centmetros (cm) 1 foot / pie (ft) = 30.48 centmetros (cm) = 12 in 1 yard / yarda (yd) = 91.44 centmetros (cm) 1 mille = 1.61 kilometros (km) 1 m = 106 m = 109 nm 1 m = 10 dm = 102 cm = 103 mm 1 cm = 108 A Superficie (m2) La superficie es el rea comprendida en un permetro. Depende en general de los lados como de los ngulos. La superficie es una magnitud derivada, es decir, se halla multiplicando dos dimensiones: ancho y longitud. A A = l2 =bxh

A A

=

bxh 22

= r2 =

=2r

Volumen (m3) Es el espacio ocupado por un cuerpo. El volumen es una magnitud derivada, es decir, se halla multiplicando tres dimensiones: ancho, largo y profundidad. Vcubo = 3 Vparalelogramo = b x h x e Vesfera = 4/3 r3 Vcilindro= 2h UNIDADES 20 gotas = 1 mililitro (mL) 1 quart - cuarto (qt) = 946.35 mililitros (mL) 1 U.S.A. gallon (gal) = 3.79 litros (L) 1 L = 103 cm3 = 103 mL 1 m3 =1000 L 1cm3= 1mL Ing. Luca Jimnez

7 Densidad ( ) Est determinada por la masa del cuerpo sobre el volumen que ocupa. Se sabe que si comparamos volmenes iguales de varias sustancias algunos sern ms pesados que otros. Por ejemplo, un cubo de acero pesa ms que un cubo de corcho. Comnmente la densidad de los slidos y lquidos se expresa en gramos por mililitro o gramos por centmetro cbico. En las unidades SI, la densidad se expresa como kilogramos por metro cbico. m = V La gravedad especfica, densidad relativa o peso especfico de una sustancia da la densidad relativa de una sustancia comparada con una estndar. En general para sustancias lquidas y slidas se toma la densidad del agua a 4C como estndar. H2O= 1g/cm3 Gravedad especifica ( relativa) = Temperatura El calor es una forma de energa asociada al movimiento de las partculas de la materia. La energa trmica se considera como energa dentro de un sistema. Dependiendo de la cantidad de energa trmica presente se puede afirmar si un sistema est fro o caliente. La temperatura es una medida de la intensidad de calor, o de qu tan caliente se encuentra un sistema. La unidad bsica SI de temperatura es el Kelvin. El instrumento de laboratorio que se usa comnmente para medir la temperatura es el termmetro. La temperatura se expresa segn varias escalas. Las escalas que se emplean con ms frecuencia son la escala Celsius o Centgrada, la escala Kelvin o absoluta y la Escala Fahrenheit. Las unidades de temperatura se denominan grados Celsius, Kelvin y grados Fahrenheit respectivamente. Para determinar estas escalas se consideraron dos propiedades fsicas del agua, la temperatura de solidificacin y la temperatura de ebullicin tomando como referencia al nivel del mar (0 metros de altura, presin de 1 atmsfera). En la escala Celsius el intervalo entre estos puntos de referencia es de 100 partes iguales. A la escala Kelvin tambin se la denomina escala de temperatura absoluta, porque 0 K es la temperatura mnima alcanzable tericamente. La escala Fahrenheit tiene 180 grados entre los dos puntos de referencia. Punto de Ebullicin 100C 212F 373.15K

sustan cia agua

100

180

100

Punto de fusin o De condensacin Ing. Luca Jimnez

0C

32F

273.15 K

8

T 0C 0 0 C T 0F 32 TK 273.15 = = 100 100 1805(T 0F 32) TC= 9 TC= TK - 273.15Presin - Pascal (Pa) Es la fuerza ejercida por unidad de rea. La unidad patrn de medida en el Sistema Internacional SI de la presin es el Pascal (Pa). Presin Manomtrica: pm =fluido

xgxh

Fluido: Se considera como fluido a las sustancias en estado gaseoso y lquido. Presin absoluta: pab = patmsferica + pm

Presin vacuomtrica: (presin al vaco) pvacuomtrica = pat pvacio UNIDADES 1atmsfera = 760 mmHg = 76 cmHg = 14.7 psi (lb f/in2) = 105 Pa Energa - Joule ( J ) Es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo o todo aquello que es capaz de producir una transformacin de energa. La unidad patrn de medida en el Sistema Internacional SI de la energa es el Joule (J). UNIDADES: 1J = 107ERG = 0.2389 caloras = (10 7 g cm2 /s2). lcal = 4.186J 1B.T.U = 252ca1 l000cal = l Kcal Soluciones Una solucin es una mezcla homognea constituida por soluto y solvente. masa solucin = masa soluto + masa solvente %soluto =

msoluto x 100% msolucin

Ing. Luca Jimnez

9 Ejercicios de Aplicacin 1. Convertir las siguientes unidades al Sistema Internacional a) 525 ft2 m2

1m 2 525 ft x (3.28 ft 2 ) = 48.79m22

b) 25 lb

kg 25 lbx

1kg = 11.33 kg 2.205lb

c) 325 BTU

J 325 BTUx

252cal 4.186J x = 3.4x105J 1BTU 1cal

d) 203 lb/ft3

kg/m3

lb 1kg (3.28 ft ) 3 203 3 x x ft 2.205lb 1m 3e) 25 F K

3248.69

kg m3

T F 32 TK 273.15 = 180 10025 32 TK 273.15 = 180 100TK = 269.3

2. Cul es la densidad de una bola de acero que tiene un dimetro de 0.75 cm y pesa 1.765g? DATOS =? acero = 0.75 cm m = 1.765 g

= 2r r = /2 r = 0.375 cm Vesfera = 4/3 r 3 V = 4/3 (0.375)3 V = 0.22 cm3

= m/V = 1.765 g/0.22 cm3 = 8.023 g/ cm3

Ing. Luca Jimnez

10 3. Una pieza de hoja de oro ( = 19.3 g/cm3) que pesa 1.93 mg puede martillearse hasta formar una pelcula transparente que cubra un rea de 14.5 cm2. (a) Cul es el volumen de 1.93 mg de oro? (b) Cul es el espesor de la pelcula transparente en angstroms?. = 19.3 g/cm3 m = 1.93 mg A = 14.5 cm2

(a) V =

m

=

0.00193 = 1x 10-4 cm3 19.3

108 A V 1x10 4 -6 (b) e = = cm = 6.9 x 10 cm x = 690A A 14.5 1cm

4. Un barril tiene un volumen 200lb y 132 lb de gasolina a) Cul es el peso especfico de la gasolina? b) Cul es la densidad de la gasolina en g/cm3 y en lb/ft3? c) Cul es la capacidad del barril en galones? Considere que un galn de H2O pesa 8.24 lb a) VH2O = Vgasolina = Vbarril

relativa =

sustan cia agua

=

mgasolina 132 = = 0.66 200 magua

b) relativa =

sustan cia aguax

gasolina

= 0.66 x 1 g/cm3 = 0.66 g/cm3

= 0.66

g cm 3

1lb (30.48) 3 x cm3 = 41.20 lb/ft3 3 453.6 g 1 ft

c) 1 gl _______ 8.34 lb Vbarril ______ 200 lb

Vbarril = ( 1 gl x 200 lb) / 8.34 lb = 23.98 gl // 5. Una muestra de cido sulfrico concentrado es 95,7% en peso de H 2 SO4 y su densidad es 1.84 g/cm3. (a) Cuntos gramos de H2SO 4 puro contiene 1 L de cido? (b) Cuntos cm3 de cido contienen 100 g de H2SO4 puro?. = 1.84 g/cm3 V = 1L = 1000 cm3

(a)

mcido puro = 1.84

g 95.7% x 1000 cm3 x = 1760.9 g 3 100% cm

1000 cm 3 (b) V = x 100 gcido puro = 56.8 cm3 1760.9 g cidopuro

Ing. Luca Jimnez

11

Problemas Propuestos 1. Determinar el nmero de (a) milmetros en 10 pulgadas; (b) pies en 5 metros; (c) centmetros en 4 pies 3 pulgadas. Sol. 254 mm, 16,4 pies, 130 cm 2. Convertir el volumen molar de 22,4 L a mililitros, a centmetros cbicos, metros cbicos y a pies cbicos. Sol. 22.400 mL; 22.400 cm3; 0.0224 m3; 0,791 pies3 3. Expresar el volumen de 50 galones de gasolina en (a) litros, (b) metros cbicos. Sol. 189L; 0,189 m3 4. Expresar el peso (masa) de 32 g de oxgeno en miligramos, en libras (avoir). Sol. 32.000 mg, 0,032 kg, 0,0705 lb 5. El color de la luz depende de su longitud de onda. Los rayos visibles de mayor longitud en el extremo rojo del espectro visible tienen una longitud de onda de 0,000078 cm. Expresar esta "longitud en micrones, en milimicrones, en nanmetros y en angstroms. Sol. 0,78 , 780 nm, 7800 A 6. Determinar el nmero (a) de centmetros cbicos en una pulgada cbica, (b) de pulgadas cbicas en un litro, (c) de pies cbicos en un metro cbico. Sol. 16,4 cm3; 61,0 pulg3; 35,3 pie3 7. La densidad del agua es de 1,0 gramos por centmetro cbico (g/cm3) a 4 C. Calcular la densidad del agua en libras por pie cbico a la misma temperatura. Sol. 62,4 lb/pie3 8. Cul es la velocidad media en millas por hora de un corredor que hace los 100 metros lisos en 10,1 segundos? Sol. 22 millas/h. 9. En un cristal de platino, los centros de los tomos individuales estn separados 2,8A en la direccin del empaquetamiento ms compacto. Cuntos tomos habr en una pulgada de longitud de esta lnea? Sol. 9 x 107 tomos 10. El silicagel utilizado para proteger a los empaques de la humedad en los transportes transatlnticos, tiene una superficie especfica de 6,0 x 10 6 cm2 por gramo. Cul ser esta superficie expresada en pies cuadrados por gramo? Sol. 6,5 x 103 pie2/g 11. La iridiscencia azul de las alas de las mariposas se debe a unas estriaciones separadas 0,15 micrones, medidas con el microscopio electrnico. Cul es la distancia medida en millonsimas de pulgada? En qu relacin est dicha separacin con la longitud de onda de la luz azul que es de unos 4500 A? Sol. 6 millonsimas de pulgada; 1/3 de la longitud de onda de la luz azul. 12. El espesor de una pelcula de una pompa de jabn, en su estado ms delgado posible (bimolecular), es unos 60 A. (a) Cul es el espesor en pulgadas? (b) En qu relacin est este espesor comparado con la longitud de onda de la luz amarilla del sodio que es de 0,5890 micrones? Ing. Luca Jimnez kilogramos y en

12 Sol: (a) 2,4 x 10-7 pulg. (b) aproximadamente 0,01 de la longitud de onda de la luz amarilla 13. Un hombre promedio necesita unos 200 mg de riboflavina. (vitamina B12 por da. Cuntas libras de queso necesitara comer un hombre por da si sta fuera su nica fuente de suministro de riboflavina y si este queso contuviese 5,5 x 10 -6 gramos de riboflavina por gramo? Sol. 0,80 lb/da. 14. Si se diluye una muestra de sangre humana sana a 200 veces su volumen inicial y se examina microscpicamente en una capa de 0,10 mm de espesor, se encuentra un promedio de 30 glbulos rojos en cada cuadrado de 100 x 100 micrones. (a) Cuntos glbulos rojos hay en un milmetro cbico de sangre? (b) Los glbulos rojos tienen una vida media de un mes y el volumen de sangre de un adulto es de unos 5 litros. Cuntos glbulos rojos se generan por segundo en el hombre adulto? Sol. 6 x 106 glbulos rojos/mm3, 1 x 107 glbulos rojos/seg 15. Hay razones para pensar que la longitud del da, determinado a partir del periodo de rotacin terrestre, aumenta uniformemente a razn de 0,001 segundos, aproximadamente cada siglo. Cul es la variacin en partes por mil millones? Sol. 3 x 10-4 seg por l09 seg 16. El contenido medio de bromo en el agua del ocano es de 65 partes en peso por milln. Suponiendo una recuperacin del 100 por 100, cuntos galones de agua marina tienen que ser tratados para producir una libra de bromo? Suponer que la densidad del agua del mar es de 1,0 g/cm3. Sol. 1,8 x 103 galones. 17. Un catalizador poroso para reacciones qumicas tiene una superficie interna de 800 m2 por cm3 de material. El 50 % del volumen del material est formado por poros mientras que el otro 50% es sustancia slida; Suponiendo que todos los poros son tubitos cilndricos de dimetro uniforme d y longitud l y que la superficie interna medida es el rea total de las superficies de dichos tubitos. Cul es el dimetro de cada tubito? Indicacin: Determinar el nmero de tubitos n por cc del material en funcin de l y d, utilizando la frmula del volumen del cilindro V = 1/4 d2l. Aplicar despus la frmula de la superficie cilndrica de los n tubitos (S cyl = dl). Sol 25 A . 18. Determinar la densidad y el peso especfico del alcohol etlico si 80,0cm3 pesan 63,3 g. Sol 0,791 g/cm3 19. El slido ms pesado (osmio) y el lquido ms ligero a la temperatura ambiente (butano) tienen pesos especficos de 22,5 y 0,6, respectivamente. Calcular la densidad del osmio en lb/pie3 y del butano en kg/L. Sol 1.400 lb/pie3; 0,6 kg/L. 20. Cul es la densidad de una bola de acero que tiene un dimetro de 0,750 cm y peso 1,765 g? El volumen de una esfera de radio r es (4/3) r3 Sol 7,99 g/cm3. 21. Un bloque de madera de 10in x 6,0in x 2,0in, pesa 3 lb 10 oz. Cul es la densidad de la madera? Sol 0,84 g/cm3 22. Una aleacin ha sido mecanizada en forma de disco plano de 3,15 cm de dimetro y 0,45 cm de espesor, con un taladro central de 0,75 cm. El disco pesa 20,2 g. Cul es la densidad de la aleacin? Sol 6,1 g/ cm3 23. Un barril tiene 200 lb de agua y 132 lb de gasolina, Ing. Luca Jimnez

13 (a) Cul es el peso especifico de la gasolina? (b) Cul es la densidad de la gasolina en g/cm3 y en lb/pie3? (c) Cul es la capacidad del barril en galones?Un galn de agua pesa 8,34 lb. Sol 0,66 ; 0,66 g/cm3; 41,2 Ib/pie3, 24,0 galones. 24. Se tiene una muestra de cido sulfrico concentrado de 97,5 % en peso de H2 SO4 y densidad 1,84 g/cm3. (a) Cuntos gramos de H2 SO4 puro contienen 1.000 mL del cido? (b) Cuntos cm3 de cido se necesitan para tener 100 g de H2SO 4 puro? Sol 1.760 g; 56,8 mL 25. Por anlisis se ha determinado que 20,0 mL de cido clorhdrico de densidad 1,18 g/cm3 contienen 8,36 g de HC1. (a) Determinar el peso de HCl por mL de solucin cida, (b) Determinar el tanto por ciento en peso de HCl en el cido concentrado. Sol 0,418 HCI/cm3 cido; 35,4% HCl. 26. En un proceso de estaado electroltico se da un recubrimiento de un espesor de 30 millonsimas de pulgada. Cuntos metros cuadrados pueden recubrirse con un kilogramo de estao de 7,3 g/cm3 de densidad? Sol 180m2 27. Una lmina de oro (peso especifico, 19,3) que pesa 1,93 mg puede ser laminada nuevamente hasta una pelcula transparente que cubre un rea de 14,5 cm 2. (a) Cul es el volumen de 1,93 mg de oro? (b) Cul es el espesor de la pelcula en angstroms? Sol 1,00 x 10 -4 cm3 , 690 A. 28. Un tubo capilar se ha calibrado de la manera siguiente. Una muestra limpia del tubo pesaba 3,247 g. Un hilo de mercurio dentro del tubo ocupaba una longitud de 2,375 cm, observado con el microscopio. El peso del tubo con el mercurio era de 3,489 g. La densidad del mercurio es de 13,60 g/cm3. Suponiendo que el tubo capilar es un cilindro uniforme, determinar el dimetro interior. Sol 0,98 mm. 29. Pasar a C, 300 K, 760 K y 180 K. Sol. 27 C; 487 C; -93 C. 30. Expresar 8 K y 273 K en F. Sol. -445 F, 32 F.

31. A qu temperatura tienen las lecturas Celsius y Fahrenheit el mismo valor numrico? Sol -40 32. Un arco elctrico estabilizado con agua, segn un informe, alcanz una temperatura de 25.600 F. En la escala absoluta, cul es la relacin de esta temperatura a la de una llama oxi-acetilnica a 3.500 C? Sol. 3,84. 33. Construir una escala de temperaturas en la cual los puntos de fusin y ebullicin del agua sean 100 y 400, respectivamente, y el intervalo de un grado sea un mltiplo constante del intervalo del grado Celsius. Cul ser el cero absoluto en esta escala y cul ser el punto de fusin del azufre que es de 444,6 C? Sol. -719, 1.433,8.

Ing. Luca Jimnez

14

3. MATERIA Y ENERGIAMateria: Es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. MASA: Es la cantidad de sustancia que forma parte de un cuerpo. Para determinar la masa de un cuerpo se considera la segunda ley de Newton: F=m.a m=

F a

Propiedades Fsicas: Son aquellas que se puede determinar por medio de los sentidos: vista, tacto, olfato, gusto. Estos sentidos utilizados adecuadamente nos permiten determinar el olor, el color, la rugosidad, la temperatura, el sabor, densidad, viscosidad, luminosidad, opacidad, maleabilidad, ductibilidad, capacidad especfica, etc. Condiciones: Son magnitudes que van a permanecer invariables en un proceso qumico; por ejemplo: presin, temperatura, masa, volumen. Cambios qumicos: Los cambios qumicos en la materia se los puede determinar por medio de reacciones qumicas, en donde la materia sufrir cambios de constitucin cuantitativa y cualitativa de la materia, al igual que en su aspecto fsico.

Oxgeno FeManchas amarillas producto de la oxidacin Oxido ferroso frrico Herrumbe

Todo proceso qumico se determina por ecuaciones qumicas, y las ecuaciones qumicas deben estar igualadas. Ecuacin Qumica: Para formar un compuesto se necesita un cambio qumico, los cuales estn representados por una ecuacin qumica (reacciones qumicas), que est constituida por: 3 Fe(S) + 2 O2(g) Reactantes o reactivos Fe3 O4(s) Productos

Toda ecuacin qumica debe estar balanceada cumpliendo con la ley de la conservacin de la materia, afirmando: La materia no se crea ni se destruye, nicamente se transforma

Ing. Luca Jimnez

15

ESTADOS DE LA MATERIA La forma en que las partculas que constituyen una sustancia se renen o agregan determina una buena parte de las propiedades fsicas y, entre ellas, su estado slido, lquido o gaseoso. Las leyes que rigen el comportamiento de la materia en la escala ordinaria de observacin pueden ser explicadas a partir de teoras que hacen referencia a las interacciones entre sus componentes elementales. Sometida a condiciones extremas, la materia puede pasar a estados fsicos muy especiales; tal es el caso del plasma y de la materia constitutiva de las estrellas de neutrones. La materia se presenta esencialmente, en nuestro planeta, bajo tres formas o estados de agregacin diferentes: el estado slido, lquido y el gaseoso. Cada uno de estos tres estados presentan propiedades directamente observables que le son caractersticas. As los slidos poseen una forma y volumen propios; los lquidos, por su parte, aunque adoptan la forma del recipiente que los contiene, poseen un volumen propio que se mantiene prcticamente constante aun en el caso de ser sometidos a presiones exteriores considerables. Los gases, sin embargo, adoptan la forma del recipiente y adems ocupan todo su volumen interior. A lo largo de la historia, filsofos y cientficos han profundizado en el estudio de los diferentes estados de la materia y las aportaciones en este tema, han contribuido, de manera decisiva, al desarrollo de otros campos de la ciencia y de la tcnica. As, el estudio de los gases sirvi de base para establecer los fundamentos de la qumica; el conocimiento de la dilatacin de los lquidos hizo progresar el estudio de los fenmenos calorficos; y, ms recientemente, la fsica del estado slido no slo ha permitido poner a prueba la mecnica cuntica como teora fsica, sino que a la vez ha abierto perspectivas de aplicacin en el terreno de la electrnica y de los nuevos materiales, que son, en buena parte, el fundamento del actual progreso tecnolgico. Los estados slido, lquido y gaseoso constituyen las formas en que se presenta la materia en condiciones no demasiado alejadas de las que reinan en nuestro planeta. Sin embargo, bajo condiciones extremas, la materia modifica su composicin y propiedades y se aleja de las leyes que describen el comportamiento de slidos, lquidos o gases. EL ESTADO GASEOSO - Caractersticas Las sustancias en estado gaseoso tienen volumen indefinido, y carecen de forma fija; sus partculas se mueven independientemente unas de otras. Las partculas en estado gaseoso han adquirido la energa suficiente para superar las fuerzas de atraccin que las mantenan unidas como lquidos o slidos. Un gas presiona siempre en todas las direcciones, sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Las partculas gaseosas estn relativamente lejos entre s, en comparacin con las de un lquido o un slido. El volumen real de las partculas del gas generalmente es muy pequeo en comparacin con el volumen del espacio ocupado por el gas. Por lo tanto se lo puede comprimir a un volumen ms pequeo o se le puede expandir indefinidamente. Los lquidos casi no se pueden comprimir, y los slidos son an menos compresibles que los lquidos. Cuando un frasco con solucin de amonaco se destapa en un rincn del laboratorio, pronto se podr percibir su olor peculiar en todas las partes del recinto. El amoniaco gaseoso que Ing. Luca Jimnez

16 escapa de la solucin demuestra que las partculas gaseosas se mueven libre y rpidamente y tienden a escaparse de la zona dentro de la cual se liberan. EL ESTADO LIQUIDO -Caractersticas A nivel microscpico el estado lquido se caracteriza porque la distancia entre las molculas es sensiblemente inferior a la de los gases. Mientras que en un gas la distancia intermolecular media es igual o mayor que diez veces el tamao de la molcula, en un lquido viene a ser del mismo orden de magnitud que el dimetro molecular, y slo un poco mayor que en los slidos. Eso explica que la densidad de los lquidos sea, salvo algunas excepciones, algo inferior a la de los slidos. La proximidad entre las molculas hace que se dejen sentir fuerzas atractivas de interaccin, que evitan que una molcula pueda escaparse de la influencia del resto, como sucede en el estado gaseoso, pero que les permite moverse deslizndose unas sobre otras. Por esta razn los lquidos no poseen forma propia, sino que se adaptan a la del recipiente que los contiene, es decir, pueden fluir. Sin embargo, el hecho de que las molculas estn ya suficientemente prximas hace de los lquidos fluidos incompresibles. Toda compresin lleva consigo una disminucin de la distancia intermolecular, y si sta fuera apreciable entraran en juego las fuerzas repulsivas entre los ncleos atmicos que se opondran a dicha compresin y la neutralizaran. VISCOSIDAD. Aunque las molculas de los lquidos pueden deslizarse unas sobre otras, esto no sucede para todos con igual facilidad. La existencia de fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento de las molculas define una propiedad de los fluidos que se denomina viscosidad. La viscosidad se traduce en una mayor resistencia al movimiento en el interior del fluido. As un frasco de aceite es ms difcil de agitar que uno de agua porque el aceite es ms viscoso que el agua. Los lquidos ideales carecen de viscosidad. En los reales, la viscosidad vara de unos a otros, siendo extrema en los lquidos superviscosos, tambin llamados slidos amorfos, porque a la temperatura ambiente presentan el aspecto de slidos sin que la ordenacin interna de sus molculas corresponda a la que es caracterstica de los slidos cristalinos. EL ESTADO SLIDO - Caractersticas En el estado slido, las molculas, tomos o iones que componen la sustancia considerada estn unidos entre s por fuerzas de atraccin relativamente intensas, formando un todo compacto. La mayor proximidad entre sus partculas constituyentes es una caracterstica de los slidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando lugar a una red cristalina. En ella las partculas ocupan posiciones definidas y sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vrtices de la red en donde se hallan situadas. Por esta razn las sustancias slidas poseen forma y volumen propios. La mayor parte de los slidos presentes en la naturaleza son cristales aun cuando en ocasiones esa estructura ordenada no se refleje en una forma geomtrica regular apreciable a simple vista. Esto se debe a que con frecuencia estn formados por un conjunto de pequeos cristales orientados de diferentes maneras, en una estructura policristalina. Los componentes elementales de una red cristalina pueden ser tomos, molculas o iones, de ah que no se pueda hablar en general de la molcula de un cristal, sino ms bien de un retculo elemental o celdilla, unidad que se repite una y otra vez en una estructura Ing. Luca Jimnez

17 peridica o red cristalina. Las propiedades fsicas de los slidos, tales como temperatura de fusin, capacidad para conducir la corriente, resistencia a la deformacin, dureza, etc., dependen de las caractersticas de las fuerzas de enlace que unen las entidades elementales. As, los slidos inicos, como las sales, son duros y a la vez frgiles, con puntos de fusin altos. Aunque son malos conductores de la electricidad sus disoluciones, sin embargo, presentan una conductividad elevada. Los slidos formados por molculas apolares, como el Cl 2 , el H2 o el O2, son blandos como corresponde a la debilidad de las fuerzas de interaccin entre ellas (fuerzas de Vander Waals). Presentan un punto de fusin bajo lo que indica que slo a bajas temperaturas, las dbiles fuerzas ordenadores del enlace pueden predominar sobre el efecto disgregador del calor. Su conductividad elctrica es extremadamente baja como corresponde a la ausencia de cargas libres. Los slidos formados por molculas polares, como el agua, presentan caractersticas intermedias entre ambos tipos de slidos, los inicos y los apolares. Las caractersticas del enlace metlico con un gas de electrones externos compartidos hace que los slidos metlicos sean buenos conductores de la electricidad y del calor, y dctiles y maleables, aunque con elevados puntos de fusin. Un tipo de slido de propiedades extremas lo constituyen los slidos covalentes estn formados por una red tridimensional de enlaces atmicos fuertes que dan lugar a propiedades tales como elevados puntos de fusin, escasa conductividad y extraordinaria dureza. El diamante, que es carbono puro cristalizado, constituye un ejemplo de este tipo de slidos. CAMBIOS DE ESTADO. La materia puede pasar de un estado fsico a otro, por efecto de la temperatura, de la presin, o de ambos factores combinados. Los cambios de estado pueden ser fenmenos endotrmicos (si hay absorcin de energa) o exotrmicos (si hay liberacin de energa) Fusin y solidificacin. Cuando se le comunica calor a un slido cristalino, su temperatura aumenta progresivamente y al alcanzar un determinado valor se produce la transicin o cambio de fase del estado slido al lquido que denominamos fusin. Si las condiciones de presin exterior se mantienen constantes, el cambio de fase se verifica a una temperatura fija o punto de transicin entre ambos estados, que se mantiene constante hasta que el slido se ha fundido totalmente. El calor que debe suministrarse a la unidad de masa de un slido para convertirlo en lquido a la temperatura de fusin se denomina calor de fusin f. En el agua f vale 80 cal/g. A nivel molecular la fusin se produce como consecuencia del derrumbamiento de la estructura cristalina. El incremento de temperatura da lugar a un aumento en la amplitud de las vibraciones de las partculas en la red, que termina por romper los enlaces y producir la fusin. Una vez que se alcanza la energa de vibracin correspondiente a la temperatura de fusin, el calor recibido se emplea en romper nuevos enlaces, de ah que se mantenga constante la temperatura durante el proceso. La solidificacin es la transicin de lquido a slido que se produce de forma inversa a la fusin, con cesin de calor. Cualquiera que sea la sustancia considerada el punto o temperatura de transicin entre dos estados o fases de la materia es el mismo Ing. Luca Jimnez

18 independientemente del sentido de la transformacin. La disminucin progresiva de la temperatura del lquido hace que en las proximidades del punto de solidificacin las fuerzas de enlace vayan imponiendo progresivamente su orden caracterstico. Vaporizacin y condensacin. Constituyen dos procesos inversos de cambio de estado. La vaporizacin es el paso de una sustancia de la fase lquida a la fase de vapor o fase gaseosa. La condensacin es la transicin de sentido contrario. Cuando la vaporizacin se efecta en el aire recibe el nombre de evaporacin. La evaporacin afecta principalmente a las molculas de la superficie del lquido. Cada molcula de la superficie est rodeada por un menor nmero de sus compaeras; ello hace que puedan vencer con ms facilidad las fuerzas atractivas del resto del lquido e incorporarse al aire como vapor. De ah que cuanto mayor sea la superficie libre del lquido tanto ms rpida ser su evaporacin. El aumento de temperatura activa este proceso. Para cada valor de la presin exterior existe una temperatura para la cual la vaporizacin se vuelve violenta, afectando a todo el lquido y no slo a su superficie. Esta forma tumultuosa de vaporizacin se denomina ebullicin. El punto de ebullicin de un lquido depende de las condiciones de presin exterior, siendo tanto ms elevado cuanto mayor sea sta. Todo proceso de vaporizacin implica la absorcin de calor por parte del lquido respecto del entorno. La cantidad de calor necesaria para transformar la unidad de masa de un lquido en vapor, a la temperatura de ebullicin, se denomina calor de vaporizacin v. En el agua v vale 540 cal/g. La condensacin como transicin de vapor a lquido se lleva a efecto invirtiendo las condiciones que favorecen la vaporizacin. As, mientras que la disminucin de la presin exterior facilita la vaporizacin, la compresin del vapor formado facilita la condensacin; el aumento de temperatura de un lquido provoca su vaporizacin e, inversamente, el enfriamiento del vapor favorece su condensacin. Sublimacin. Aunque es un fenmeno poco frecuente a la temperatura y presin ordinaria, algunas sustancias como el yodo o el alcanfor pueden transformase directamente de slido a vapor sin necesidad de pasar por la fase intermedia de lquido. A tal fenmeno se le denomina sublimacin. La transicin o cambio de estado de sentido inverso se denomina de igual manera, por ello a veces se distinguen ambas llamando a la primera sublimacin progresiva y a la segunda sublimacin regresiva. En principio, cualquier sustancia pura puede sublimarse, pero debido a las condiciones de bajas presiones y temperaturas a las que es posible esta transicin, el fenmeno slo es reproducible, para la mayor parte de las sustancias, en el laboratorio.

Ing. Luca Jimnez

19

CLASIFICACION DE LA MATERIA

Compuesta:

por partculas pequeas unin de tomos

tomos molculas

Estados naturales: gaseoso liquido solido

Sustancias puras

Mezclas

Cualquier muestra tomada de una sustancia determinada dentro de la misma composicion

HOMOGENEAS Soluciones

HETEROGENEAS Soluciones burdas o groseras

Elementos

Compuestos

Disoluciones o verdaderas

Seudo soluciones coloidales dispersiones

Ing. Luca Jimnez

20

Postulados de Dalton: Dalton basndose en experiencias propuso su teora atmica afirmando: 1. Toda materia est compuesta por tomos, los cuales son indivisibles y conservan su identidad en los cambios qumicos . 2. Todos los tomos de un mismo elemento son idnticos en todas sus partes y propiedades y cuando los tomos se combinan; lo hacen en relacin de nmeros enteros y pequeos. ERRORES Los tomos estn formados por subpartculas: protones, neutrones y electrones. La presencia de istopos, que son tomos de un mismo elemento caracterizados por tener igual nmero atmico y diferente nmero de masa (% de abundancias naturales diferentes). Todo lo que existe en el universo est compuesto de Materia. La Materia se clasifica en Mezclas y Sustancias Puras. Las Mezclas son combinaciones de sustancias puras en proporciones variables, mientras que las sustancias puras comprenden los compuestos y los elementos. Los compuestos estn formados por una combinacin de elementos en una proporcin definida. SUSTANCIA PURA. Material de un mismo tipo que por lo tanto debemos diferenciar de otros mediante un nombre; este nombre ser asignado procurando dar con l la mayor informacin posible sobre la sustancia referida. Existe una gran diversidad de sustancias las cuales pueden ser agrupadas en familias de acuerdo a su composicin y propiedades, estableciendo as una SISTEMATZACION de todas ellas que nos permita facilitar su NOMENCLATURA. Elemento: Es una sustancia pura formada por un mismo tipo de tomos. Actualmente existen 135 elementos y ms, de los cuales 90 son naturales, y los restantes son sintticos o artificiales. A los elementos qumicos se los simboliza utilizando una letra mayscula y minscula, extradas de los nombres en latn, o del cientfico que encontr dicho elemento. Ejemplo: Cu Na Ag Al Lu Cuprum Natrium Argentum Aluminium Lutecio.

Los elementos qumicos se encuentran organizados en una tabla denominada PERIDICA, organizados sistemticamente en funcin de: Nmero atmico ( Z) Ing. Luca Jimnez

21 Propiedades fsicas y qumicas. La mayor parte de los elementos qumicos son monoatmicos, as por ejemplo: Ne, Ar, Xe, todos los gases nobles, Al, Fe, Cu, Mn, Mg. Na, K, que se encuentran en estado slido; Hg que es lquido. Otros elementos son diatmicos: N2, O2, F2 , Cl2, en estado gaseoso, Br2 en estado lquido, I 2 en estado slido. Tambin: tetratmicos:P4 Octoatmicos: S8 Compuesto: Es una sustancia pura formada por dos o ms elementos. Se encuentran combinados en nmeros enteros y sencillos. Dependiendo del nmero de elementos los compuestos se clasifican en: Binarios Ternarios Cuaternarios Complejos dos elementos (NaCl, H2O) tres elementos (H2 SO4, HNO3) cuatro elementos ( KHCO3, Na2HPO4 ) ms de cuatro elementos

Los COMPUESTOS, se representan mediante FORMULAS las cuales estn constituidas por los smbolos de las sustancias elementales que forman al compuesto as como nmeros que especifiquen la proporcin de cada uno de los elementos, de tal forma, que la frmula nos brinde informacin tanto cualitativa como cuantitativa sobre la composicin de la sustancia. Mezcla: Es una combinacin de dos o ms sustancias puras en proporciones variables. Las Mezclas se clasifican en Mezclas Homogneas (Soluciones) y Mezclas Heterogneas. En una Mezcla Heterognea pueden distinguirse con facilidad las diferentes fases que forman la mezcla, mientras que en una Mezcla Homognea no hay distincin de fases. Las Mezclas se separan en sus componentes por procesos fsicos, mientras que los Compuestos se separan en sus constituyentes por procesos qumicos Una disolucin en una mezcla homognea, en la cual sus componentes individuales retienen su identidad (por ejemplo en la solucin de cloruro de sodio), mientras que en un compuesto los elementos sufren cambios qumicos al combinarse para formar compuestos. Las mezclas se pueden separar por medios fsicos. Ejercicios 1 Identifique cada una de las siguientes sustancias como gas, lquido o slido en condiciones ordinarias de temperatura y presin: (a) oxgeno; (b) cloruro de sodio (sal de mesa); (c) mercurio; (d) dixido de carbono. Clasifique cada una de las siguientes como sustancia pura o mezcla; si es una mezcla, si es homognea o heterognea: (a) concreto (hormign); (b) agua de mar; (c) magnesio; (d) gasolina.

2

Ing. Luca Jimnez

22 3 Clasifique cada una de las siguientes sustancias puras o mezclas; si es una mezcla, identifique si es homognea o heterognea: (a) aire; (b) nitrgeno; (c) cristales de yodo; (d) aderezo de queso azul para ensalada. D el smbolo qumico para cada uno de los siguientes elementos: (a) aluminio; (b) sodio; (c) hierro; (d) potasio; (e) fsforo; (f) bromo; (g) nitrgeno; (h) mercurio D el smbolo qumico para cada uno de los siguientes elementos: (a) carbono; (b) cadmio; (c) cromo; (d) cinc; (e) yodo; (f) azufre; (g) oxgeno; (h) nen. Nombre los siguientes elementos: (a) Na; (b) Co; (c) Mn; (d) S; (e) P; (f) Ni; (g) Ag; (h) Ti. En un intento por caracterizar una sustancia, un qumico hace las siguientes observaciones: la sustancia es un metal lustroso color blanco plateado que funde a 649C y hierve a 1105C, su densidad a 20C es de 1.738g/cm3. La sustancia arde en aire, produciendo una luz blanca intensa, y reacciona con cloro para producir un slido blanco quebradizo. la sustancia se puede golpear hasta convertirse en lminas delgadas o estirarse para formar alambres, y es buena conductora de la electricidad. Cules de estas caractersticas son propiedades fsicas y cules qumicas?. Rotule cada uno de los siguientes procesos como proceso fsico o qumico: (a) corrosin de aluminio metlico; (b) fundir hielo; (c) pulverizar una aspiradora; (d) digerir una golosina; (e) explosin de nitroglicerina.

4

5

6

7

8

MTODOS DE SEPARACIN DE MEZCLAS Decantacin: Consiste en dejar reposar el lquido que contiene partculas slidas en suspensin. En el fondo del recipiente se va depositando el sedimento o precipitado, y sobre el recipiente queda nadando el lquido limpio. Luego se trabaja con cuidado para no volver a mezclar las sustancias. Este proceso tambin se puede realizar con mezclas no miscibles, el lquido ms denso queda abajo y el menos denso queda arriba. Filtracin: Se usa para separar slidos no solubles en lquidos, esta separacin se hace a travs de medios porosos, que retienen las partculas slidas. Medios porosos son: papel filtro, filtro, porcelana porosa, lana de vidrio, arena y carbn. Destilacin: Las disoluciones (sistemas homogneos) pueden separarse por cambios de estado (congelacin, evaporacin, liquefaccin). Esto se usa para separar los componentes de una disolucin, esto se basa en la diferencia de los puntos de ebullicin de sus componentes. Se calienta la solucin y se concentran los vapores. La sustancia que tiene menor punto de ebullicin (ms voltil) se convierte en vapor antes que la otra, con lo cual se separan fcilmente despus de ser condensadas. Tambin se usa para purificacin de lquidos con sustancias pequeas que no pueden separarse por filtracin. Cristalizacin: Se usan aqu los puntos de congelacin; la solucin se enfra hasta que uno de sus componentes alcanza su punto de solidificacin y se cristaliza, con lo cual estar puro y libre de impurezas. Ing. Luca Jimnez

23

ENERGA: Es la capacidad de realizar un trabajo. En todo proceso qumico existen cambios de energa. La energa existe en varias formas; algunas de las mas conocidas son la mecnica, qumica, elctrica, trmica, nuclear, etc. La materia puede tener energa potencial o cintica. Energa cintica: Es el trabajo generado por un cuerpo para poderlo trasladar de un punto a otro a diferentes velocidades. La presin que ejerce un gas encerrado se debe a la energa cintica de las partculas gaseosas en rpido movimiento Energa potencial gravitatoria: Es el trabajo generado sobre un cuerpo para elevarlo a una determinada altura. Por ejemplo la gasolina es una fuente de energa potencial qumica, cuando la gasolina arde (se combina con el oxgeno), el calor desprendido est relacionado con una disminucin de energa potencial. Las nuevas sustancias que se forman en la combustin tienen menos energa potencial qumica que la que tenan la gasolina y el oxgeno. La energa se puede convertir de una forma a otra con facilidad y eficiencia. Por ejemplo, la energa mecnica se puede convertir en energa elctrica en un generador elctrico, con una eficiencia mayor al 90%. En qumica, la energa se manifiesta con mayor frecuencia como calor. Conservacin de la energa: Una transformacin de energa se presenta siempre que se tiene un cambio qumico. Si se absorbe energa durante el proceso, los productos tienen ms energa potencial qumica que los reactivos. Opuestamente, si se desprende energa en un cambio qumico, los productos tendrn menos energa potencial qumica que los reactivos. Los cambios de energa que se efectan en muchos sistemas han sido analizados por muchos investigadores. Nunca se ha encontrado que un sistema adquiera energa, excepto cuando la energa proviene de otro sistema. Este principio se enuncia como la Ley de la conservacin de la Energa: La energa no se crea ni se destruye, nicamente se transforma Albert Einstein entre 1879 y 1955 fundamentndose en la ecuacin fsica matemtica evalu la cantidad de energa E equivalente a la masa m: E = m x c2 E M C energa (J) masa (g) velocidad de la luz ( 3 x 10 8 m/s)

Segn la ecuacin de Einstein, siempre que la energa se absorbe o se libera de una sustancia, si gana o se pierde masa. Aunque los cambios de energa en reacciones qumicas pueden parecer grandes, las cantidades son relativamente pequeas. La diferencia de masa entre los reactivos y productos en los cambios qumicos son tan pequeos que no se puede Ing. Luca Jimnez

24 detectar por instrumentos de medicin disponibles. Segn la ecuacin de Einstein 1 g de masa = 9 x 107 J de energa. En la prctica se tratar a los reactivos y productos en los cambios qumicos como si tuvieran masa constante.

Ing. Luca Jimnez

25

4. ATOMOS, MOLES Y MOLECULASINTRODUCCION: En el Siglo V a.C. dos Filsofos Griegos Leucipo y Demcrito propusieron que la Materia no poda dividirse indefinidamente tal y como lo estipulaba Aristteles. Ellos proponan que al final de la divisin llegaran a los tomos. (La palabra griega tomos significa indivisible) Entre 1803 y 1808 John Dalton propone una teora atmica compuesta de los siguientes postulados: Los elementos estn compuestos de partculas extremadamente pequeas llamadas tomos. Todos los tomos del mismo elemento son similares entre s y diferentes de los tomos de otro elemento. La separacin de tomos y la unin se realiza en las reacciones qumicas. En estas reacciones, ningn tomo se crea o destruye y ningn tomo de un elemento se convierte en un tomo de otro elemento. Un compuesto qumico es el resultado de la combinacin de tomos de dos o ms elementos en una proporcin numrica simple. Actualmente se sabe, contrario a la afirmacin de Dalton que los tomos eran indivisibles, que el tomo est compuesto de tres partculas sub-atmicas muy pequeas. Estas son llamadas electrones, protones y neutrones. Se encontraron otras sub-partculas fundamentales que no son tan importantes como las anteriores ya que no influyen en el comportamiento qumico de los tomos. Existen ms de 40 de estas partculas de las cuales se pueden mencionar: positrones, neutrinos, muones, mesones, bariones, piones, etc., que se encuentran en el ncleo del tomo. Electrn (e-). Partcula con una carga relativa de 1 y una masa pequea de 5.5 x 10 -4 u.m.a. Julius Plcker en 1859 realiz experimentos con Rayos Catdicos consistiendo en lo siguiente: Dos Electrodos se encuentran dentro de un tubo sellado de vidrio al que se ha extrado casi completamente el aire. Cuando se aplica un voltaje alto a travs de los electrodos, emerge un haz de rayos desde el electrodo negativo llamado ctodo hacia el electrodo positivo llamado nodo. Estos rayos tienen naturaleza negativa, ya que son repelidos por el extremo negativo de campos elctricos (Ctodo) y magnticos (Sur Magntico). En 1891 Stoney les llam electrones. En 1897 Joseph J. Thomson determin la relacin carga/masa (e/m) del electrn estudiando la desviacin de los rayos Catdicos por los campos elctrico y magntico. e/m = -1.75 x 108 coulomb/gramo. En 1909 Robert A. Millikan determin la carga del electrn que result ser: e = 1.602x10-19 Coulomb al contar con el valor de e/m y con el de e, fu Ing. Luca Jimnez

26 posible obtener el valor de m (masa del electn) que result ser: me = 9.1096 x 10 -28 g Protn (p+). Partcula con una carga relativa de +1 y una masa de 1.0073 u.m.a. Si se remueven 1 o ms electrones de un tomo neutro o molcula, el residuo posee una carga positiva igual a la suma de las cargas negativas de los electrones removidos. Ne Ne Ne + 1eNe2+ + 2 e-

Eugene Goldstein realiz experimentos con Rayos Catdicos en los cuales se introdujo Hidrgeno gaseoso a baja presin, observando la presencia de Rayos que viajaban en direccin opuesta a los Rayo Catdicos. El llam a estos Rayos Positivos Protones. Se determin la relacin e/m para el protn resultando ser: e/m = +9.5791 x 10 4 Coulomb/g. A los protones se les asign el smbolo H + y se determin que la carga del protn es igual a la del electrn solo que de signo contrario (+). eH+ =+1.602 x 10-19 Coulomb As mismo, se determin la masa del Protn siendo sta de: mH+=1.6726x1O-24 g. Esto quiere decir que la masa del protn es 1836 veces la masa del electrn. Neutrn (n). Partcula neutra (sin carga) con una masa un poco ms de 1 u.m.a. (1.0087 u.m.a.) En 1932 Chadwik determin mediante el estudio de reacciones nucleares la masa del Neutrn, el cual no posee carga (por eso le llamaron Neutrn) siendo sta de m=1.675Ox1O-24 g. El descubrimiento del neutrn, justifica la existencia de los istopos que son tomos de un mismo elemento, con diferente masa, debido al diferente nmero de neutrones que poseen en el ncleo.

ESTRUCTURA BASICA DE LOS ATOMOS La estructura bsica de los tomos considera como estn distribuidas las tres partculas subatmicas. 1. Los protones y neutrones se encuentran en el centro del tomo llamado ncleo. Los electrones se encuentran afuera del ncleo en capas o niveles de energa. 2. El ncleo es una pequea parte del tomo en trminos de tamao, pero contiene la mayor parte de la masa del tomo. Debido a esto el ncleo tiene una densidad alta de 1x1014g/cm3. Como cada protn tiene una carga relativa de +1, la carga relativa del ncleo es positiva e igual al nmero de protones. 3. El nmero de protones en el ncleo se define como NUMERO ATOMICO (Z). Por lo que todos los tomos de un mismo elemento tienen el mismo nmero de protones. 4. Un tomo es elctricamente neutro. Por esta razn hay igual nmero de electrones afuera del ncleo que de protones dentro de l. En la formacin de compuestos, los tomos ganan o pierden electrones para formar partculas llamadas IONES. 5. Las capas o niveles de energa de los electrones estn dispuestos a una distancia relativa al ncleo. El ncleo tiene un dimetro de 10 -5 A, Determinando que el Ing. Luca Jimnez

27 dimetro de todo el tomo est en el lmite de 1 a 5 A. El nmero de protones en un tomo ms el nmero de neutrones se denomina NMERO DE MASA (A), el cual es igual a la masa atmica en u-m-a., teniendo en cuenta que la masa del electrn es despreciable. Por esto, el nmero de neutrones presentes en el tomo es igual al nmero de masa menos el nmero de protones.

6.

N de Neutrones = A Z NOTACIN DE UN ELEMENTO X = elemento

A = masa atmica Z = nmero atmico A = #p + #n Ejercicios de aplicacin 1.

A Z

X

a)

Determinar el nmero de electrones, protones y neutrones tanto como tomos neutros como partculas cargadas para los siguientes elementos 52 z =24 = #p+ = #eE 24

Cr

ELEMENTO Cr0 Cr2 Cr3 Cr6

#e24 22 21 18

#p+ 24 24 24 24

#n 28 28 28 28

b)

32 16

SS0 S-2 S+2 S+4 S+6

z = 16 #p+=#e-=16 #p+ 16 16 16 16 16

E #n 16 16 16 16 16 # e16 18 14 12 10

ELEMENTO

Ing. Luca Jimnez

28

MODELOS ATMICOS Una vez probada la existencia de protones y electrones en los tomos, surgi el primer modelo atmico propuesto por Thomson, quien postul que el tomo esta compuesto por una esfera de electricidad positiva con distribucin uniforme de cargas negativas dentro de ella, es decir, una unidad simtrica neutra, donde casi toda la masa esta asociada por la electricidad positiva. Este modelo no ofreci explicaciones satisfactorias a ciertos hechos experimentales especialmente a los realizados por Rutherford, quien estudi el comportamiento de los rayos alfa cuando incidan sobre una lmina delgada de oro; al disparar el haz de partculas alfa sobre esta lmina no se deba presentar desviacin de su trayectoria y con base en esto Rutherford estableci un nuevo modelo atmico, donde se sealaron los siguientes aspectos: El ncleo del tomo debe ser muy pequeo en comparacin con el tamao total del tomo. Las partculas alfa son deflectadas porque son rechazadas por una alta concentracin de cargas positivas inamovibles. Los electrones deben estar alrededor del ncleo y no dentro de l y estos determinan el volumen del tomo. Este modelo, sin embargo, present una serie de problemas debido a que los electrones no podan permanecer estacionarios a cierta distancia del ncleo, pues se precipitaran sobre l debido a las fuerzas electrostticas. Tampoco podran considerarse movindose en rbitas alrededor del ncleo debido a que estos son considerados partculas cargadas elctricamente que irradian energa en forma de ondas generando un arco iris de colores hasta finalmente caer en el ncleo debido a la prdida de energa, como podemos ver ste modelo predice incorrectamente un espectro continuo y la distribucin del tomo. La estabilidad de los tomos y la emisin de la energa solo en determinadas frecuencias cuando son excitados (segn la ecuacin de Plank, efecto fotoelctrico), llevan a la conclusin de que los tomos no obedecen las leyes de la fsica clsica y fue hasta 1913 cuando Niels Bohr con base en la cuantizacin de la energa y el tomo nuclear de Rutherford propuso un nuevo modelo atmico tomando como base el tomo de Hidrgeno cuyo postulado se explica posteriormente. La naturaleza ondulatoria de los electrones fue mostrada gracias al efecto fotoelctrico, a los principios de cuantizacin, incertidumbre y dualidad onda- partcula y gracias a stos fue que se pudo en 1926 por Erwing Schrodinger desarrollar una ecuacin que relaciona la energa de un sistema con sus propiedades ondulatorias.

MODELO ATMICO DE BOHR En 1913 Niels Bohr propuso una Teora para describir la estructura atmica del Hidrgeno, que explicaba el espectro de lneas de este elemento. A continuacin se presentan los postulados del Modelo Atmico de Bohr:

Ing. Luca Jimnez

29 El tomo de Hidrgeno contiene un electrn y un ncleo que consiste de un slo protn. El electrn del tomo de Hidrgeno puede existir solamente en ciertas orbitas esfricas las cuales se llaman niveles o capas de energa. Estos niveles de energa se hallan dispuestos concntricamente alrededor del ncleo. Cada nivel se designa con una letra (K, L, M, N,...) o un valor de n (1, 2, 3, 4,...) El electrn posee una energa definida y caracterstica de la rbita en la cual se mueve. Un electrn de la capa K (ms cercana al ncleo) posee la energa ms baja posible. Con el aumento de la distancia del ncleo, el radio del nivel y la energa del electrn en el nivel aumentan. El electrn no puede tener una energa que lo coloque entre los niveles permitidos. Un electrn en la capa ms cercana al ncleo (Capa K) tiene la energa ms baja o se encuentra en estado basal. Cuando los tomos se calientan, absorben energa y pasan a niveles exteriores, los cuales son estados energticos superiores. Se dice entonces que los tomos estn excitados.

Cuando un electrn regresa a un nivel inferior emite una cantidad definida de energa a la forma de un cuanto de luz. El cuanto de luz tiene una longitud de onda y una frecuencia caractersticas y produce una lnea espectral caracterstica.

ARREGLO DE LOS ELECTRONES EN LOS NIVELES DE ENERGA Los electrones en el tomo se encuentran en niveles de energa o capas, las cuales aumentan de energa a medida que aumenta su distancia desde el ncleo. Por tanto, entre ms cerca est el electrn del ncleo, menor energa posee el electrn y entre ms alejado est posee mayor energa.

Ing. Luca Jimnez

30 Estos niveles de energa se designan con nmeros o algunas veces con letras maysculas.

1 2 3 4 5 6 7

K L M N O P Q

En la teora moderna sobre la estructura atmica, estos niveles de energa son reas con mayor probabilidad de densidad electrnica. Un nivel de energa representa una regin en el espacio en donde el electrn se encuentra el 90% del tiempo ocupando este nivel. Se ha encontrado que el mximo nmero de electrones en cada nivel de energa es igual a 2n2 donde n es el nmero del nivel de energa. #e2e8e18e32e50e72e98e-

n 1 2 3 4 5 6 7

DISTRIBUCIN DE LOS ELECTRONES EN SUBNIVELES Los niveles de energa estn divididos en subniveles o subcapas. Estos subniveles se designan por letras minsculas s, p, d, f, desde el quinto subnivel se considera en orden alfabtico para la simbolizacin. s p d f sharp principal diffuse fundamental

Cada uno de estos subniveles tiene tambin un nmero mximo de electrones. NIVEL 1 2 3 4 5 6 7 Ing. Luca Jimnez # SUBNI VELES 1 2 3 4 5 6 7 DESIGNACIN DE SUBNIVELES 1s2 2s2,2p6 3s2,3p6,3d10 4s2,4p8,4d10 ,4f14 5s2,5p6,5d10 6s2 ,6p6 7s2

31

El nmero de subniveles est en funcin del nmero del nivel de energa. Cada subnivel est formado por un conjunto de orbitales. Cada uno de estos orbitales representa una nube electrnica con forma determinada. El conjunto de orbitales que forman un subnivel determinado poseen todas iguales energas. El nmero de orbitales por cada subnivel es como sigue: s=1 p=3 d=5 f= 7 Los dos electrones en un orbital determinado tienen spines opuestos, es decir, cada electrn est girando sobre su propio eje. Cuando dos electrones estn en el mismo orbital, los spines se cancelan uno al otro, por lo tanto, se asume que ellos deben estar en direcciones opuestas; as, cuando un orbital est lleno con sus electrones, decimos que sus electrones estn apareados. Cuando un orbital tiene un solo electrn, decimos que el electrn es no apareado. Cada tipo de orbital ( s, p, d, f, etc. ) tiene uno forma nica, es decir que la regin en el espacio que representa la nube electrnica para ese par determinado de electrones tiene una forma determinada. Estas formas son las siguientes:

Ejercicios de Aplicacin 1. Para el cuarto nivel de energa indicar: a) Cules son los subniveles de energa disponibles? b) El nmero mximo de electrones en cada subnivel. Ing. Luca Jimnez

32 c) El nmero mximo de electrones en el nivel de energa. DESARROLLO: a) 4s, 4p, 4d y 4f b) 4s=2 4p=6 4d=10 4f=14 nmero mximo 2(4)2 = 32 nmero mximo

c) 2 + 6 + 10 + 14 = 32 o 2n2 ; donde n = 4

2. Explicar el nmero mximo de electrones en el tercer nivel de energa, en trminos de subniveles, orbitales y spines electrnicos. DESARROLLO 3s = 1 Orbital x 2 Electrones = 3p = 3 Orbitales x 2 Electrones = 3d = 5 Orbitales x 2 Electrones = -----------------------------------------------------------TOTAL = 2 6 10 1840 55

Ejercicios 1. Cuntos protones neutrones hay en los siguientes tomos (a) 65 Zn; (d) 79 Se; (e) 184W; (f) 235 U?. 2.

Ar; (b)

Mn; (c)

Llene los espacios de la siguiente tabla, suponiendo que cada columna representa un tomo neutro:

SmboloProtones Neutrones Electrones Num. de masa3.

39

K 25 30 82 64 48 56 137

207

Llene los espacios de la siguiente tabla, suponiendo que cada columna representa un tomo neutro:

SmboloProtones Neutrones Electrones Num. atmico Num. de masaIng. Luca Jimnez

70

Ga 23 28 45 34 136 79 86197

33

LLENADO DE LOS ELECTRONES EN NIVELES, SUBNIVELES Y ORBITALES TABLA PERIDICA. La estructura electrnica de los elementos varia en forma regular a medida que aumenta el nmero atmico. Al organizar la tabla peridica, se sigue el orden de AUFBAU, colocando el nmero mximo de electrones en cada subnivel antes de empezar a llenar el siguiente. Para los primeros 18 electrones, los electrones van ocupando los niveles y subniveles empezando por el de ms baja energa y van llenando su capacidad antes de empezar el siguiente. Despus del subnivel 3p, hay una superposicin de energa, es as como encontramos que antes de que se llenen los orbitales 3d los electrones entran en el orbital 4s. Lo mismo ocurre con el 5s y el 4d. En los niveles de energa ms altos se presenta mayor superposicin de este tipo.

.

Para ordenar una tabla peridica hay que saber y seguir el orden de AUFBAU. Las diagonales de Pauling facilitan el llenado de los electrones de los elementos de la Tabla Peridica considerando las interrelaciones de niveles de mayor energa con subniveles de menor energa.

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 5f14 6s2 6p6 6d10 7s2 7p6 8s2Ejemplos:20Ca 15P

= 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6,4s2

= 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p3

Ing. Luca Jimnez

34

PRINCIPIO DE ESTABILIDAD. Los subniveles d celda. FAMILIA tienen una estabilidad media, cuando poseen un electrn en cada ns2, (n 1) d4 ns1, (n 1) d5

VI B

Los subniveles d tienen una estabilidad total, cuando poseen completas las celdas con el nmero mximo de electrones ( dos en cada orbital ). FAMILIA IB ns2,(n - 1)d9 ns1, (n1) d10

CELDA ELECTRNICA Es la representacin grfica de los electrones que existen en un subnivel (orbitales) y que est de acuerdo al valor del giro del electrn. El nmero de cajas, representa el nmero de orbitales que tiene cada subnivel, y los vectores spin negativo spin positivo . REGLA DE HUND Para cualquier conjunto de orbitales, tal como los orbitales p, se encuentra que hay un electrn en cada orbital antes de que haya un apareamiento.

Aparentemente toma menos energa para un electrn ocupar un orbital por si solo, que aparearse con otro electrn en un orbital de igual energa. Ejemplos: 3d5 4p4

NUMEROS CUANTICOS La relacin de los niveles, subniveles y orbitales son valores que provienen de soluciones de la ecuacin de onda de Shrndinger, la cual es una ecuacin compleja que tiene diferentes soluciones posibles. Cada una de las soluciones permitidas dan un conjunto de cuatro nmeros cunticos.

Ing. Luca Jimnez

35 1. Nmero Cuntico Principal ( ).- Indica el nivel en que se encuentra el electrn, n puede tomar valores enteros desde 1 hasta 7. 2. Nmero Cuntico Secundario (l).- Indica la existencia de varios subniveles dentro del mismo nivel. Los valores del l van desde 0 hasta (n-1). s p d f 0 1 2 3

3. Nmero Cuntico Magntico (ml).- Cada nivel contiene uno o ms orbitales que estn relacionados con este tercer nmero cuntico. Sus valores dependen de l y van desde 1, 0, -1. Subnivel 1

-1

0

1

4. Nmero Cuntico de Spin (ms).- Este nmero indica el sentido de rotacin que tiene un electrn alrededor de su propio eje. Toma los valores 1/2 y + 1/2

PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI En un mismo tomo no pueden existir dos electrones que tengan exactamente iguales sus cuatro nmeros cunticos. Ejercicio de Aplicacin Dado el siguiente nmero cuntico: 1. ( 5, 1, 1, -1/2 ) y su nmero de masa equivalente a 122. Determinar: Configuracin electrnica total del elemento Grupo y familia a la cual corresponde Nmero de electrones, protones y neutrones correspondientes. a)122

E = ( 5, 1, 1, -1/2 )

b) 5p3 =

c)

122

E = 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2,4d10, 5p3

Ing. Luca Jimnez

36

d) 5s2, 5p3 e) n0 = A - Z

Grupo A, Familia 5A

n0 = 122 51 = 71 #e = #p = 51 ISTOPOS Y LA ESCALA DEL PESO ATOMICO Istopos.- Los tomos que tienen diferente masa atmica o nmero de masa, pero igual nmero atmico son denominados istopos. As, los istopos son tomos del mismo elemento, por lo que tienen el mismo nmero de protones y diferente nmero de neutrones. Los istopos de un mismo elemento tienen las mismas propiedades qumicas, pero las propiedades fsicas son un poco diferentes. Por ejemplo: #e#p+ #n0

ISTOPO

35 17 37 17

Cl Cl

17 17

17 17

18 20

ISTOPO

#e-

#p+

#n0

1 1

H

1

1

0

2 1

D

1

1

1

3 1

T

1

1

2

Peso atmico.- El peso atmico en unidades de masa atmica, para los elementos como es el caso de 12.01 para el carbono es una masa promedio basada en la abundancia de los istopos de dicho elemento en la naturaleza. Patmico = Xi . Patmico del istopo

Ing. Luca Jimnez

37 Ejercicios de aplicacin 1. Cualquier muestra natural de cloro consiste de un 75.5% de Determinar la masa atmica promedio.35

Cl y 24.5% de

37

Cl .

Cl =

1

.

35

Cl +

2.

37

Cl

Cl = 0.755 x 35 + 0.245 x 37 = 35.49 u.m.a2. El boro natural consta de 80% de 11 B (masa nucldica =11.009) y 20% de otro istopo. Para explicar el peso atmico 10.810, cul debe ser la masa nucldica del otro istopo?11

B = 11.009 1 = 0.82=

B =B= (

1.

11

B +11 1 2

2.

B

0.2

B

B

)

B = 10.810

B=

10.810 0.8 x11.009 = 10.01u.m.a. 0.2

UNIDAD DE MASA ATMICA, uma. Los tomos son tan pequeos que para expresar su peso en gramos debemos recurrir a decimales con demasiados ceros a la derecha de la coma, o a potencias negativas de diez. Para evitar esto, se estableci una nueva unidad de masa, mucho ms pequea que el gramo, a la cual se le dio el nombre de unidad de masa atmica. Se define como unidad de masa atmica, uma, a la doceava parte de la masa de un tomo de carbono-12, definicin que se desprende de que al tomo patrn, el carbono-12, se le asign un peso atmico exacto de 12.0000 uma. 1 uma = 1.66 x 10 -24 g Los tomos son extremadamente pequeos, en las reacciones qumicas ordinarias, no se trabaja con tomos individuales, sino con porciones de sustancias que contienen millones y millones de tomos. Es necesario conocer cuntos tomos hay en una cantidad dada de sustancia, como no es posible contar y pesar uno a uno los tomos, se recurre a un mecanismo indirecto que est basado en el concepto de peso atmico. Muestras de diferentes elementos cuyo peso en gramos sea numricamente igual al peso atmico, contiene el mismo nmero de tomos. As entonces, hay un mismo nmero de tomos en 12 g de carbono, 40 g de calcio, 4 g de helio, 1 g de hidrgeno y 23 g de sodio, ya que estos valores son numricamente iguales a los pesos atmicos de los respectivos elementos. Ing. Luca Jimnez

38

ATOMO-GRAMO. Se define como el peso atmico gramos. H=l

de un elemento expresado en

g at g g

1 at-g = l g

S = 32

at g g Fe = 56 at g

1 at-g = 32 g 1 at-g = 56g

MOL. Una mol de un elemento es la cantidad del mismo elemento que tiene un peso en gramos numricamente igual al peso atmico (en elementos) y al peso molecular (en compuestos). PESO MOLECULAR O PESO FRMULA. El conocimiento de la escala de los pesos atmicos, suele ser combinada con la informacin obtenida de la frmula del compuesto. Esto se hace considerando el nmero de tomos de la unidad frmula del compuesto y los pesos atmicos de los elementos.

H2 SO44 at-g de oxgeno MOL

Ejercicio de aplicacin Calcular el peso molecular del cido sulfrico H 2SO4 si los pesos atmicos de los elementos constituyentes son: H = 1; S = 32 y O =16 (g/at-g) H2 SO4 = 2 at-g x 1

g at g

+ 1 at-g x 1

g at g

+ 4 at-g x 32

g at g

= 98

g mol

El mol es una de las siete unidades bsicas del Sistema Internacional y se define como la cantidad de materia contenida en 6.023 x 10 23 unidades qumicas que pueden ser tomos, molculas o iones. El valor 6.023 x 10 23 es el l Nmero de Avogadro es una constante fsica muy importante. Representa el nmero de tomos que existen en 12 g del istopo 12 C . Si las unidades qumicas son molculas, se tiene un mol, pero si las unidades qumicas son tomos se le denomina tomo-gramo(at-g). Ejercicio 1. a) b) c) d) Se tiene 450 gramos de sulfato de aluminio. Determinar: El nmero de moles del compuesto. El nmero de tomos-gramos de cada uno de los elementos. La masa de cada uno de los elementos. El nmero de molculas presentes en el compuesto.

Ing. Luca Jimnez

39e)

El nmero de tomos de cada uno de los elementos. S=32; O=16; Al=2712 at-g de oxgeno

Al2 (SO4) 33 at-g de azufre mol 2 at-g de aluminio

a) Al2 (SO4)3 = 2 x 27 + 3 x 32 + 12 x 16 = 342

g mol

=

1mol x 450g = 1.315 mol 342g3at g = 3.945 mol 2at g = 2.63 mol 12at g = 15.78 mol

b) at-g S = 1.315 mol x

at-g Al = 1.315 mol x

at-g O = 1.315 mol x

c)

mS = 3.945 at-g x

32g at g 27g at g 16g at g 6.023x1023 molculas = 7.92 x 1023 mol

mAl = 2.63 at-g x

mO = 15.78 at-g x

d)

NMolculas = 1.315 mol x

e) 2.

6.023x10 23 molculas N tomos O = 15.78 at-g x = 9.5 x 1023 at gEn una determinacin del peso atmico, se encontr que el estao contenido en 3.7692 g de SnCl4 es 1.717 g. Si se toma el peso atmico del cloro como 35.453.Cul es el valor del peso atmico del estao determinado a partir de este experimento?. m SnCl4 = mSn + mCl mCl = (3.7692 1.717)g = 2.0522 g

mSn = 1.717 g m SnCl4 = 3.7692 g

Ing. Luca Jimnez

40

Cl = 35.453

1at g x 2.0522 g = 0.057 35.453g 1at gSn at-g Sn = 0.057 at-g Cl x = 0.01425 4at gCl 1.717g g Sn = = 120.49 0.01425at g at gat-g Cl =

3.

Realice las siguientes conversiones: a) 125 g de agua a milimoles g H2O = 2x1 + 16 = 18 mol 125g x b)

1molH 2O 1000mmoles x 18g 1mol

6944.4mmoles

8.2x1025molculas de CH 4 a libras g CH4 = 1x12 + 4x1= 16 mol 8.2x1025molculasx

mol 16g 1lb x x 23 6.023x10 molculas 1mol 454g= 1.6

4.798lb

c)

2.5L de CCl4 a molculas.

g cm 3

CCl4 = 1x12 + 4x35.5 = 154

g mol

2500cm3x

1.6 g 1mol 6.023x1023 molculas x x 1.56x1025 molculas 3 cm 154g 1mol

3.

Una muestra de 1.853 g de un compuesto A2B3 se someti a un proceso qumico para determinar el peso atmico de B cuya masa es de 1.187g. Si el peso atmico de A es de 26.98. Determinar el peso atmico de B. 1.853g = 1.187g + m A mA = (1.853 1.187) = 0.666 g

at

gA

0.666gx

1at g 26.98g

0.025

Ing. Luca Jimnez

41

at BEjercicios propuestos 1.

gB

0.025at

gAx

3at 2at g at

gB gA g

0.037

1.187g 0.037at g

32.057

D la configuracin electrnica completa para cada uno de los siguientes elementos utilizando la notacin nl x. a) Cromo b) Paladio c) Azufre d) Plomo e) Kriptn Diagrame los orbitales para los electrones en el nivel de energa ms externo para cada uno de los siguientes elementos: a) B b) Sr c) Cl d) N e) Ra Indique cul es el error en cada uno de los siguientes conjuntos de nmeros cunticos: a) 2,2,0,+1/2 b) 2,0,0,0 c) 3,2,0,+1/2 d) 2,-1,0,-1/2 Si el nmero cuntico del spn puede ser -1/2, +1/2,0, cul ser el nmero mximo de electrones en cada uno de los siguientes casos? a) tercer nivel de energa b) un conjunto de orbitales p c) orbital d d) cualquier orbital s

2.

3.

4.

5. Complete la siguiente tabla: Elemento Smbolo Nmero atmico Platino31

Nmero de protones

Nmero Nmero de de electrones neutrones

78

P

15 36 34 45

40

Ca

Ing. Luca Jimnez

42

Au

79

118

6.

El tomo de un elemento tiene un nmero de masa igual a 201 y tiene 121 neutrones en su ncleo. a) Cul es la carga elctrica del ncleo. b) Cul es el smbolo y el nombre del elemento? La plata natural existe en forma de dos istopos estables,109 107

7.

Ag , con masa igual a

106.9041 uma (51.82%), y Ag , con masa de 108.9047 uma (48.18%). Calcule el peso atmico promedio de la plata. 8. La masa de un tomo de argn es 6.63x10 -24g.Cuntos tomos hay en una muestra de 40 gramos de argn. Calcule el nmero de moles en cada una de las siguientes sustancias: a) Acido clorhdrico en 52.8 g de solucin de HCl al 35%. Densidad 1.19 g/cm 3 b) cido fosfrico en 425 cm3 de solucin de H3PO4 al 70%. Densidad 1.25 g/cm3

9.

10. Calcule el volumen en litros de cada una de las siguientes sustancias: a) 8.5x1022molculas de una sustancia de peso especfico 1.37 y un peso molecular de 125 uma. b) 4.4x1021 molculas de una sustancia con peso especfico 1.22 y un peso molecular de 185 uma. 11. Calcule la masa en gramos de cada uno de los siguientes compuestos: a) 1.8 mol de Na2 CO3 b) 12.5 mmol de KBr c) 2.25 molculas de etanol (CH3 CH2OH) d) un tomo de hierro. 12. Calcule el peso molecular de cada una de las siguientes sustancias: a) 98.5 g contienen 2.3 moles b) 55g contienen 2.2x10 22 molculas c) 4.2 mg contienen 2.2x10 18 molculas 13. Una muestra de 0.695 g de un compuesto XY 5 se someti a un proceso qumico para determinar el peso atmico de X cuya masa es de 0.1033 g. Si se conoce el peso atmico de Y de 35.5 uma. Determinar el peso atmico de X. 14. Se hizo reaccionar 0.925 g de silicato de magnesio con cido telrico y como producto de la reaccin se obtuvo 1.99 g de telurato de magnesio. Si los pesos atmicos del Mg=24.31; Si=28 y O=16. Determinar el peso atmico del teluro. 15. El argn natural est formado por tres istopos, cuyos porcentajes son los siguientes: 0,337% Ar36, 0,063 % Ar38 y 99,600 % Ar40. Las masas nucldicas de estos istopos son 35,968; 37,963 y 39,962, respectivamente. Calcular el peso atmico del argn a Ing. Luca Jimnez

43 partir de estos datos. Sol. 39,947 16. El boro natural est formado por un 80,20 % de B 11 (masa nucldica = 11,009) y 19,80 % de otro istopo. Si el peso atmico es 10,811, cul tendr que ser la masa nucldica del otro istopo estable? Sol. 10,01 17. Las masas nucldicas del CI 35 y CI37 son 34,9689 y 36,9659, respectivamente. Estos son los nicos istopos naturales del cloro. Qu distribucin porcentual corresponde a un peso atmico de 35,4527? Sol. 24,23 % Cl37 18. Las masas nucldicas del N14 y N15 son 14,0031 y 15,0001, respectivamente. Cul tendr que ser la relacin de N15 a N14 en el nitrgeno natural para un peso atmico de 14,0067? Sol. 0,0036 19. Antes se utilizaba una escala de pesos, atmicos basada en asignar el valor 16,0000 al oxgeno natural. Cul tendra que haber sido, en tal tabla, el peso atmico de la plata basndose en la informacin disponible? Los pesos atmicos del oxgeno y de la plata en la tabla actual son 15,9994 y 107,870. Sol. 107,874 20. La masa nucldica del Sr90 en la escala fsica antigua (0 16= 16.0000) era de 89,936. Recalcular este valor para la tabla actual en que para 016 es 15,9949. Sol. 89,907. 21. En una determinacin qumica del peso atmico se encontr que el contenido en estao de 3,7692 g de SnCI4 era 1,7170g. Si se toma el peso atmico del cloro como 35,453. Cul es el valor resultante de este experimento para el peso atmico del estao? Sol. 118,64 22. Se disuelve una muestra de 12,5843 y de ZrBr 4 y, despus de varios procesos qumicos, todo el bromo combinado se precipita como AgBr. El contenido determinado en plata del AgBr es 13,2160 g. Tomando para los pesos atmicos los valores 107,870, para la Ag, y 79,909 para el bromo. Qu valor se obtiene para el peso atmico del Zr a partir de este experimento? Sol. 91,21 23. Se ha determinado el peso atmico del S descomponiendo 6,2984 g de Na 2CO3 con cido sulfrico y pesando el Na 2SO 4 resultante. Se encontr un peso de 8,4380 g, Suponiendo conocidos los pesos atmicos de C, O y Na, con los valores respectivos 12,011; 15,9994 y 22,990, cul es el valor que puede hallarse para el peso atmico del S? Sol. 32,019 24. Determinar los pesos moleculares (o pesos formulares) hasta 0,01 u de los cuerpos siguientes: NaOH, HNO3; F2; S8 ; Ca3. (PO 4)2, Fe4. [Fe (CN)6]2. Sol. 40,00; 63,02; 38,00; 256,51; 310,19; 859,28 25. Cuntos gramos de cada uno de los elementos constitutivos se contienen en un mol o un peso-frmula-gramo de los siguientes compuestos: (a) CH4, (b) Fe2 O3, c) Ca3 P2? Cuntos tomos de cada elemento hay en la misma cantidad de compuesto? Sol. (a) 12,01 g C, 4,032 g H; 6,02 X 10 23 tomos C, 2,41 x 10 24 tomos H (b) 11,69g Fe, 48,00 gO; 1,204 x 10 24 tomos Fe, 1,81 x 10 24 tomos O (c) 120,24 g Ca, 61,95 g P; 1,81 x 10 24 tomos Ca, 1,204 x 10 24tomos P 26. Calcular el nmero de gramos en un mol (o pfg) de cada una de las sustancias siguientes: (a) calcita, CaCO 3., (b) cuarzo SiO2 , (c) azcar C12H22O11 (d) yeso CaSO4. 2H2O (e) plomo blanco Pb (OH)2 .2PbCO3. Sol. 1900,09 g, 60,09 g, 342,3 g, 172,2 g, 775,7 g Ing. Luca Jimnez

44 27. Cuntas libras hay en un mol-libra (o pfg) de cada uno de los siguientes minerales: (a) galena PbS, (b) smithsonita, ZnCO3, (c) malaquita CuCO3, Cu (OH)2? Sol. 239 lb, 125 lb, 221 lb 28. Cul es el peso medio de (a) un tomo de hidrgeno, (b) un tomo de oxgeno, (c) un tomo de uranio? Sol. (a) 1,67 x 10-24 g;(b) 2,66 x 10-23g; (c) 3,95 X 10-22g 29. Cul es el peso medio de una molcula de (a) CH2OH (b) C60OH122(c) C1200H2000O1000? Sol. (a) 5, 32 x 10-23 g, (b) 1, 40 x 10-21 g; (c) 5, 38 X 10-20 g, 30. Cuntos tomos-gramo del elemento contienen (a). 32,7 g Zn, (b) 7,09 g Cl, (c) 95,4 g Cu, (d) 4,31 g Fe (e) 0,378 g S? Sol. 0,500; 0,200; 1,50; 0,0772; 0,0118 at-g 31. Cuntos moles hay en: (a) 24,5 g H2SO 4, (b) 4,00 g O 2? Sol. 0,250 moles; 0,125 moles 32. (a) Cuntos at-g de Ba y CI contienen 107,0 g de Ba (CIO 3)2. H2O? (b) Cuntas molculas de agua de hidratacin hay en la misma cantidad? (c) 2,00 x 1023 molculas de H 2O Sol. (a) 0, 3.32 at-g Ba, 0,664 at-g CI 33. Cuntos tomos-gramo de Fe y S se contienen en (a) 1 pfg de FeS2, (pirita), (b) 1 kg de FeS2? (c) Cuntos gramos de S contiene exactamente 1 kg de FeS2? Sol. (a) 1 at-g Fe, 2 at-g S, (b) 8,33 at-g Fe, 16,7 at-g S, (c) 535 g S

Ing. Luca Jimnez

45

5. TABLA PERIDICA DE LOS ELEMENTOS1. INTRODUCCIN El primero en intentar en relacionar los elementos qumicos en s con vista a hacer una clasificacin, lo hizo el mdico britnico J. Proust (1 785-1850), y supuso que los elementos eran el resultado de la condensacin de tomos de hidrgeno por lo que sus pesos atmicos deben ser mltiplos de este. Tal hiptesis fue rechazada debido a las mediciones efectuadas por Berzelius, que confirmaron la correccin de algunos pesos atmicos, como el del cloro. En 1817, el estudio de los elementos conocidos hasta ese momento, revelaron a Dbereiner que era posible reunir a algunos de ellos en grupos de tres en orden creciente de masa atmica. Este intento de clasificacin se conoce como triadas: Los elementos qumicos que tienen propiedades semejantes y progresivas pueden clasificarse en grupos de tres, en donde la masa atmica del elemento intermedio es aproximadamente igual al promedio de las masas atmicas de los elementos extremos. TRIADA Li Na K Ca Sr Ba MASA ATOMICA 6.9 23.0 39.1 40 88.6 137.3

En 1862, el qumico francs A. E. Beguyen de Chancourtois (1820-1866) propuso la clasificacin de los elementos basada en la ordenacin creciente de los pesos atmicos, situados a lo largo de una curva helicoidal cilndrica, a la que dividi en 16 secciones. En cada una de las cuales los elementos posean propiedades fsicas y qumicas semejantes. Ninguna de las clasificaciones anteriores tuvo xito, pero hicieron ver que existe una vinculacin entre los pesos atmicos. En 1863, el qumico britnico Jar Newlands (1838-1898), propuso la Ley de las octavas ordenadas crecientemente segn el peso atmico, el octavo elemento tiene propiedades parecidas al primer elemento, y as sucesivamente. A partir del calcio se pierde la periodicidad. El no supo superar las dificultades que se le presentaban, pens que se conocan todos los elementos por ello su ley no fue aceptada plenamente. Esta ley afirma: Si se ordena a los elementos qumicos de acuerdo a su masa atmica creciente en grupos de siete las propiedades de un elemento se repiten en el octavo elemento

Ing. Luca Jimnez

46 1 Li 8 Na 15 K 2 Be 9 Mg 16 Ca 3 B 10 Al 4 C 11 Si 5 N 12 P 6 O 13 S 7 F 14 Cl

En 1868-1869 el ruso Mendeleiev, quien desconoca los trabajos de Newlands, procedi igual que l, y dispuso los elementos segn el orden creciente de los pesos atmicos. Al llegar al Calcio observ que las propiedades del elemento que segua como el Titanio, se parecan a las del Silicio, por lo que lo coloc debajo de este y supuso que faltaba por descubrir un elemento intermedio, el elemento es conocido como Ekabor, prediciendo algunas de sus propiedades, como el peso atmico, la densidad, etc. procediendo de modo anlogo, Mendeleiev predijo el descubrimiento de otros elementos, a los que denomin Ekaluminio, Ekasilicio, etc. de todo ello Mendeleiev dedujo que las propiedades de los elementos qumicos, son funcin peridica de sus pesos atmicos. El descubrimiento del Germanio (Ekasilicio) en 1886, venci todas las resistencias de los qumicos y asegur la difusin de la tabla de Mendeleiev. Al mismo tiempo Meyer en Alemania, presenta con ms claridad, el principio de la periodicidad al trazar una grfica del volumen atmico de los elementos, en funcin de sus pesos atmicos. Meyer y Mendeleiev, son considerados descubridores de la ley peridica en razn de la exactitud y alcance de sus estudios. La idea bsica de la Tabla es que las propiedades qumicas de los elementos son propiedades peridicas o recurrentes y cuando stos se disponen de manera adecuada se pueden predecir con un buen grado de exactitud el comportamiento qumico de cualquier elemento. Mendeleiev orden los elementos con base en su peso atmico creciente, empezando por el ms ligero, en periodos de longitud apropiada. Cuando se hace esta ordenacin todos los elementos que caen en una columna vertical tienen propiedades qumicas muy similares. Predijo que con el tiempo se descubriran ciertos elementos adicionales e intent adelantar los pesos atmicos y las propiedades de tres de ellos en detalle. Antes de que transcurrieran 25 aos se descubrieron stos elementos y sus propiedades resultaron ser las anticipadas. Su tabla se utiliz durante muchos aos pero se notaban ciertas anomalas consistentes en que los elementos con peso mayor deban colocarse antes que otros de menor peso, para que coincidieran sus propiedades. Estas discrepancias indicaron que deba haber otra propiedad ms determinante que los pesos atmicos y le correspondi a Moseley (1914) descubrirla. La ley de Moseley demuestra que el nmero atmico debe responder a la constitucin intima del tomo y no ser tan solo un lugar de colocacin del elemento en una tabla de clasificacin de los mismos. Las propiedades fsicas y qumicas de los elementos son funciones peridicas de sus nmeros atmicos.

Ing. Luca Jimnez

47 2. BASES DE LA CLASIFICACION PERIDICA Las propiedades de los elementos son funciones del nmero atmico de sus tomos, ms especficamente del ordenamiento de los electrones en los niveles de energa ms extremos. Los elementos con una distribucin electrnica similar se agrupan en COLUMNAS VERTICALES. Y los elementos con el mismo Nmero Cuntico Principal ( n ) mximo para la estructura electrnica fundamental del tomo, se agrupan en FILAS HORIZONTALES.

3. DISTRIBUCIN DE LOS ELEMENTOS EN LA TABLA. Los elementos son sustancias puras, formadas por una sola clase de tomos. La mayora de elementos son SLIDOS, dos son LIQUIDOS (Mercurio y Bromo) a la temperatura ambiente y 11 existen en la naturaleza en forma de gases ( 6 gases nobles, nitrgeno, oxgeno, hidrgeno, flor y cloro ). La actual tabla peridica consta de todos los elementos conocidos organizados en filas horizontales llamadas PERIODOS y en columnas verticales llamadas GRUPOS O FAMILIAS. En la parte inferior de la tabla existen dos filas horizontales que corresponden a la serie LANTANIDA Y ACTINIDA conocidas como TIERRAS RARAS.

GRUPOS O FAMILIAS Son las columnas verticales de elementos, las mismas que se encuentran numeradas seguidas de las letras A o B. Cada columna rene a los elementos que tienen propiedades qumicas idnticas y valencia (electrones de valencia) semejantes. Existen 18 columnas organizadas en: GRUPOS A: Elementos representativos o tpicos IA : Alcalinos IIA : Alcalinos Trreos IIIA : Familia del Boro IVA : Familia del Carbono VA: Familia del Nitrgeno VIA: Familia del Oxgeno o Anfgenos VIIA : Halgenos VIIIA : Gases Nobles GRUPOS B: Elementos de transicin IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIB, VIIB., VIIIB.

Ing. Luca Jimnez

48

El hidrgeno, no pertenece a ningn grupo de la tabla peridica, debido a que tiene una distribucin electrnica parecida a los elementos del grupo IA, se lo ubica en esa posicin. En los grupos o familias, estn los elementos que tienen el mismo nmero de ELECTRONES DE VALENCIA, es decir, los electrones determinan que las propiedades de los elementos pertenecientes al mismo sean semejantes. PERIODOS A las filas horizontales de elementos se denominan PERIODOS. Son siete, ordenados en orden creciente del nmero atmico.

ler PERIODO (2 elementos) H y He 2do PERIODO (8 elementos)Li - Ne 3er PERIODO (8 elementos) Na - Ar 4to PERIODO (18 elementos)K - Kr 5to PERIODO (18 elementos)Rb - Xe 6to PERIODO (32 elementos)Cs - Rn 7mo PERIODO (32 elementos)Fr -

muy corto corto corto largo largo muy largo completo

Existen dos series bajo el bloque principal de la tabla. LANTANIDOS ACTINIDOS ( 14 elementos ) ( 14 elementos ) Ce - Lu Th - Lw sexto periodo sptimo periodo

El nmero del PERIODO, nos indica los niveles de energa que tienen todos los elementos pertenecientes al mismo. 4. BLOQUES. El bloque viene dado por el tipo de electrones que tiene el elemento en su ltimo subnivel ( puede ser s, p, d, f ). s

s d

p

f

Ing. Luca Jimnez

49 A continuacin se muestran los subniveles en los que se encuentran los electrones de valencia.

IA ns1 IIA ns2 lIlA ns2 np