Resumen de Magnitudes Atómico-Moleculares - Quimica (2013) - CBC - UBA

8/18/2019 Resumen de Magnitudes Atómico-Moleculares - Quimica (2013) - CBC - UBA

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Magnitudes atómico-moleculares

Una magnitud física es una propiedad o cualidad medible de un sistema físico, es

decir, a la que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición o una

relación de medidas. Las magnitudes físicas se miden usando un patrón que tenga bien

definida esa magnitud, y tomando como unidad la cantidad de esa propiedad que posea el

objeto patrón. Por ejemplo, se considera que el patrón principal de longitud es el metro en el

Sistema Internacional de Unidades.

Las primeras magnitudes definidas estaban relacionadas con la medición de

longitudes, áreas, volúmenes, masas patrón, y la duración de periodos de tiempo.

El actual modelo de la estructura atómica es el modelo mecánico cuántico. La química

tradicional comenzó con el estudio de las partículas elementales: átomos, moléculas,

sustancias, metales, cristales y otros agregados de la materia. La materia podía ser

estudiada en estados líquido, de gas o sólidos, ya sea de manera aislada o en combinación.

Las interacciones, reacciones y transformaciones que se estudian en química son

generalmente el resultado de las interacciones entre átomos, dando lugar a reordenamientos

de los enlaces químicos que los mantienen unidos a otros átomos. Tales comportamientosson estudiados en un laboratorio de química.

Una reacción química es la transformación de algunas sustancias en una o más

sustancias diferentes. La base de tal transformación química es la reordenación de los

electrones en los enlaces químicos entre los átomos. Se puede representar simbólicamente

como una ecuación química, que por lo general implica átomos como la partícula central. El

número de átomos a la izquierda y la derecha en la ecuación para una transformación

química debe ser igual (cuando es desigual, la transformación, por definición, no es química,

sino más bien una reacción nuclear o la desintegración radiactiva). El tipo de reacciones

químicas que una sustancia puede experimentar y los cambios de energía que pueden

acompañarla, son determinados por ciertas reglas básicas, conocidas como leyes químicas.

Las consideraciones energéticas y de entropía son variables importantes en casi

todos los estudios químicos. Las sustancias químicas se clasifican en base a su estructura,

estado y composiciones químicas. Estas pueden ser analizadas usando herramientas del

análisis químico, como por ejemplo, la espectroscopia y cromatografía.

Varios conceptos son esenciales para el estudio de la química, y algunos de ellos

son:

Materia. En química, la materia se define como cualquier cosa que tenga masa en reposo,

volumen y se componga de partículas. Las partículas que componen la materia tambiénposeen masa en reposo, sin embargo, no todas las partículas tienen masa en reposo, un

ejemplo es el fotón. La materia puede ser una sustancia química pura o una mezcla de

sustancias.

Átomos. El átomo es la unidad básica de la química. Se compone de un núcleo densollamado núcleo atómico, el cual es rodeado por un espacio denominado «nube de

electrones». El núcleo se compone de protones cargados positivamente y neutrones sin

carga (ambos denominados nucleones). La nube de electrones son electrones que giran

alrededor del núcleo, cargados negativamente.


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En un átomo neutro, los electrones cargados negativamente equilibran la carga

positiva de los protones. El núcleo es denso; La masa de un nucleón es 1.836 veces mayor

que la de un electrón, sin embargo, el radio de un átomo es aproximadamente 10.000 veces

mayor que la de su núcleo.

El átomo es la entidad más pequeña que se debe considerar para conservar las

propiedades químicas del elemento, tales como la electronegatividad, el potencial de

ionización, los estados de oxidación preferidos, los números de coordinación y los tipos de

enlaces que un átomo prefiere formar (metálicos, iónicos , covalentes, etc).

Elemento. Un elemento químico es una sustancia pura que se compone de un solo tipo deátomo, caracterizado por su número particular de protones en los núcleos de sus átomos,

numero conocido como «número atómico» y que es representados por el símbolo . El

número másico es la suma del número de protones y neutrones en el núcleo. Aunque todos

los núcleos de todos los átomos que pertenecen a un elemento tengan el mismo número

atómico, no necesariamente deben tener el mismo número másico; átomos de un elemento

que tienen diferentes números de masa se conocen como isótopos. Por ejemplo, todos los

átomos con 6 protones en sus núcleos son átomos de carbono, pero los átomos de carbono

pueden tener números másicos de 12 o 13.

La presentación estándar de los elementos químicos está en la tabla periódica, la cual

ordena los elementos por número atómico. La tabla periódica se organiza en grupos

(también llamados columnas) y períodos (o filas). La tabla periódica es útil para identificar

tendencias periódicas.

Compuesto. Un compuesto es una sustancia química pura compuesta de más de unelemento. Las propiedades de un compuesto tienen poca similitud con las de sus elementos.

La nomenclatura estándar de los compuestos es fijado por la Unión Internacional de Química

Pura y Aplicada (IUPAC). Los compuestos orgánicos se nombran según el sistema de

nomenclatura orgánica. Los compuestos inorgánicos se nombran según el sistema de

nomenclatura inorgánica. Además, el Servicio de Resúmenes Químicos ha ideado unmétodo para nombrar sustancias químicas. En este esquema cada sustancia química es

identificable por un número conocido como número de registro CAS.

A partir de estas definiciones abordaremos el estudio cuantitativo de la química. Todo surge

de la necesidad de contar muchísimas cosas muy pequeñas.

Todos los aspectos cuantitativos de la química descansan en conocer las masas de

los compuestos estudiados.

M ASAS ATÓM ICAS

Conceptualmente, masa atómica ( ) es la masa de un átomo, y la masa de un

átomo en particular es la suma de las masas de sus protones y neutrones, y varía en los

distintos isótopos.

Sabemos que los átomos de elementos distintos tienen distinta masa entre sí. Por

ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene distinta masa que un átomo de cobre. El átomo de

cobre tiene más masa; por lo tanto, pesa más que el átomo de hidrógeno (tiene mayor peso

atómico).

Los átomos son tan pequeños que no podemos medir (pesar) la masa de un átomo

individualmente. No existe una balanza capaz de medir la masa de un solo átomo.


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En primer lugar conviene recordar la relación entre isótopo y elemento químico.

Isótopos: Todos aquellos átomos que tienen el mismo número de protones, perodistinto número de neutrones, se dicen que son isótopos entre sí. Por tanto, tendrán el

mismo número atómico y distinto número másico. Por ejemplo son isótopos del

hidrógeno todos los átomos que tienen un protón, tengan los neutrones que tengan.

Elemento químico: El conjunto de todos los posibles tipos de átomos que tienen el

mismo número de protones, forman un elemento químico. Por ejemplo, cuandohablamos del elemento hidrógeno, nos referimos a todos los átomos que tienen un

protón.

La masa atómica de un elemento se obtiene promediando la masa de todos sus

isótopos presentes en la naturaleza, teniendo en cuenta la abundancia relativa de cada uno

de sus isótopos naturales. Por ejemplo, si un elemento tiene tres isótopos la masa atómica

del elemento será la media ponderada de la masa de los tres. Media ponderada quiere decir

que cuenta más a la hora de hacer la media el isótopo más abundante y menos el menos

abundante en la naturaleza. Por esta razón se dice que las masas atómicas de los elementos

son masas atómicas promedio.

Tampoco es posible contar los átomos necesarios para ajustar una determinada

combinación o reacción química entre elementos distintos.

Pero lo que sí sabemos es que existe el concepto de mol, el cual representa unnúmero definido de átomos.

Un mol se define como la cantidad de materia que tiene tantas unidades como el

número de átomos que hay en exactamente gramos de .

Se ha demostrado que este número es: . Se lo conoce como

número de Avogadro debido al científico que realizó los ensayos para averiguar su valor.

El mol permite “contar” (conocer su número) entidades químicas de forma indirecta

cuando son pesadas. Esta medición se puede hacer porque los átomos de un determinado

elemento siempre tienen la misma masa.

Para su comprensión, diremos que tal como el término “docena” hace referencia a

una cantidad de doce elementos cualesquiera pero iguales entre sí, el mol representa el

número .

Tal como es fácil colegir que la masa de una docena de huevos (12 huevos) es

distinta a la masa de una docena de ladrillos (12 ladrillos), también la masa de un mol dehidrógeno ( átomos de hidrógeno) es distinta a la masa de un mol de cobre (

átomos de cobre).

Como ya lo dijimos más arriba, los distintos elementos tienen distinta masa, y el valor

de cada una de sus masas ya ha sido cuantificado (tiene un valor). El valor de la masa de

cada elemento nos lo entrega la conocida Tabla Periódica.

En la Tabla Periódica suele representarse el símbolo, el nombre, el número atómico y

la masa atómica relativa (o peso atómico) de los elementos como datos básicos y,

según su complejidad, algunos otros datos sobre los elementos.


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Atención, esto es lo más relevante:

Cuando en la Tabla Periódica se indica un valor para la masa

atómica, hay que entender que se trata de la masa atómica relativa de

los elementos, ya que ese valor de masa se obtiene al comparar la

masa de cada elemento con una unidad de referencia (el valor de la

masa atómica está en relación a una unidad definida). ¿Pero cuál es

esa unidad de referencia?

U NIDAD DE MASA ATÓM ICA

Se la llama u.m.a., que quiere decir Unidad de Masa Atómica, aunque también puede

encontrarse por su acrónimo inglés "a.m.u." (Atomic Mass Unit). Esta unidad también es

llamada Dalton, en honor al químico con ese apellido, y simbolizada como . Esta última

nomenclatura ( ) es la elegida por el Sistema Internacional de Magnitudes; sin

embargo, el símbolo recomendado es simplemente " ".

Por acuerdo científico, se ha definido que su valor es igual a la (doceava) parte

de la masa del isótopo del átomo de Carbono y su valor se corresponde

aproximadamente con la masa de un protón (o un átomo) de hidrógeno.

Entonces, cuando se muestra un valor (un número) como masa atómica (o peso

atómico) de un elemento, ese número está indicando cuántas veces la masa de un átomo de

ese elemento es mayor que la unidad de masa atómica. Para aclarar la idea de relativa,

debemos tomar en cuenta que para cualquier medición que realizamos diariamente siempre

consideramos una unidad de referencia.

Por ejemplo: cuando medimos el largo de una calle nuestra unidad

de referencia es el metro.

Ya que mencionamos la Tabla Periódica, ¿qué leemos en ella

cuando nos indica que la masa atómica del Cu = 63,54?

Debemos entender que nos dice que la masa de un átomo de

es veces mayor que la ., pero no que la masa de un átomo de Cu es

g

En el caso del hidrógeno, indica masa atómica del , debemos leer quela masa de un átomo de es veces mayor que la ., pero no que la

masa de un átomo de es .

Anteriormente dijimos que no existe una balanza capaz de medir la masa de un solo

átomo.

Pero sí ha sido posible medir (pesar) la masa de una gran cantidad de átomos y

resulta que 6 pesan un gramo masa; o sea, un mol de u.m.a. pesa un

gramo. Es decir que, convirtiéndola en gramos queda que


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Ejemplos de la Relación Mol/Peso Usando el Helio

Mol del Helio Átomos delHelio

Gramos del Helio

1/4 1,505 x 1023 1 g

1/2 3,01 x 1023 2 g

1 6,02 x 1023 4 g

2 1,204 x 1024 8 g

10 6,02 x 1024 40 g

Para recordar:

El peso atómico (masa atómica relativa) de todos los elementos está indicado en la tabla periódica. Para cada

elemento ese valor corresponde, además, al peso en gramos de un mol del m ismo (6,02 x 1023 átomos del

elemento).

M ASA MOLECULAR ( O PESO MOLECULAR )

Hasta aquí hemos hablado solo de masa de átomos, y de sus componentes: protones

y neutrones. Ahora hablarenos de masa de moléculas (que son combinaciones de diferentes

átomos). Previamente recordemos que las moléculas, como entidad, también se cuantifican

en mol, y un mol de moléculas es igual a moléculas.

Sabemos que no se puede pesar la masa de una molécula individualmente.

Entonces, ¿cómo calculamos la masa molecular de una sustancia? Sumando las masas

atómicas relativas de los elementos que componen dicha sustancia.


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Para aclarar el concepto: si una persona sube con otra sobre una balanza, ésta

registra el peso combinado de ambas personas. Cuando los átomos forman moléculas, los

átomos se unen y el peso de la molécula es el peso combinado de todas sus partes.

Por ejemplo, cada molécula de agua (H2O) tiene dos átomos de hidrógeno y un

átomo de oxígeno. Un mol de moléculas de agua contiene dos moles de átomos de

hidrógeno y un mol de átomos de oxígeno.

Relación del Mol y el Peso del Agua y de susPartes

2 moles H + 1 mol O = 1 mol de agua

2 x 1.01 g + 16.00 g = 18.02 g

Según esto, una botella llenada con exactamente 18,02 g de agua debería contener

moléculas de agua. Como vemos, se puede calcular el peso molecular (masa

molecular) de cualquier compuesto simplemente sumando el peso de los átomos (masa

atómica relativa) que conforman el compuesto.

Cuadro resumen

M ASA Y VOLUMEN MOLAR

Llamamos masa molar de una sustancia a la masa expresada en gramos de un mol de

moléculas o de unidades fórmula de la sustancia. También se simboliza como y su

unidad es . Para una sustancia compuesta como el agua, cuyas moléculas están

formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, en un mol de moléculas de agua

hay dos moles de átomos de hidrógeno y un mol de átomos de oxígeno. Como la masa de un

mol de átomos de hidrógeno es . Y la masa de un mol de átomos de oxígeno es

, la masa de un mol de moléculas de agua se calcula según


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La masa molar de una sustancia se obtiene sumando las masas atómicas de sus

átomos expresados en gramos, tantas veces como aparezcan en la fórmula.

El volumen que ocupa una sustancia en determinadas condiciones de presión y

temperatura, depende de la naturaleza y de la masa de la sustancia. Si la sustancia es un

sólido o un líquido, dado que las partículas que la forman están muy próximas entre sí, el

volumen suele variar poco con los cambios de presión y de temperatura. En cambio, si la

sustancia es gaseosa el volumen es afectado notablemente por las variaciones de presión y

de temperatura.

Llamamos volumen molar ( de una sustancia al volumen ocupado por un mol

de unidades elementales de la sustancia, en determinadas condiciones de presión y

temperatura.

Si tomamos un mol de unidades elementales de una sustancia, su masa es la masa

molar , y el volumen que ocupa, en determinadas condiciones de presión y

temperatura es el volumen molar. Si recordamos que la densidad es el cociente entre la

masa y el volumen, podemos escribir que

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