martes, 20 de marzo de 2012

CONCEPTOS GENERALES DE QUIMICA


UNIDAD I
CONCEPTOS GENERALES

•  CONCEPTO DE QUÍMICA
La Química puede definirse como una ciencia natural que estudia:
•  la estructura de la materia,
•  sus propiedades o características,
•  su composición,
•  sus cambios,
•  los factores o condiciones que afectan esos cambios,
•  las energías consumidas o liberadas en esos cambios.
La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa de a cuerdo a la teoría física de la relatividad ; la materia tiene 4 manifestaciones o propiedades fundamentales que son : MASA, ENERGIA ESPACIO y TIEMPO. De las 4 manifestaciones o propiedades de la materia; la masa y la energía son las que mas se manifiestan en forma cuantitativa de las transformaciones químicas, sin olvidar que todos los cambios ocurren en un espacio y tiempo determinados.
La materia se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. La temperatura y la presión determinan el estado de la materia.
•  CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA
  En la naturaleza los diversos materiales se presentan en forma de:
  Sustancias puras. Dentro de esta presentación tenemos a los elementos y los compuestos.
Un elemento es aquella sustancia que no puede descomponerse por métodos químicos en otra más sencilla. Los elementos conocidos se encuentran clasificados en la tabla periódica en total son 105.
Los Compuestos resultan de la combinación de 2 o más elementos en una proporción definida, los elementos unidos pierden sus propiedades individuales (moléculas o iones). Los compuestos pueden separarse por métodos químicos. Ejemplos: NaCl, CO 2 ,HCl etcétera.
Los compuestos se representan mediante una fórmula química, en la cual se indican los elementos y la relación en que lo hacen. Por ejemplo, en la formula molecular del agua H 2 O el subíndice representa la cantidad de átomos de respectivo elemento en una molécula del compuesto. Cuando no hay subíndices la cantidad de átomos es igual a uno, por lo tanto, en una molécula de agua hay dos átomos del elemento hidrógeno y uno del elemento oxígeno para dar un total de tres átomos. En algunos compuestos como el hidróxido de calcio, representado por Ca(OH) 2 se debe considerar el subíndice del paréntesis para establecer la cantidad total de átomos; en este caso, el compuesto tiene un átomo de calcio, dos átomos de oxígeno y dos átomos de hidrógeno dando un total de átomos.
•  Mezclas . Resultan de la unión física de 2 o mas sustancias (elementos o compuestos) que al hacerlo conservan sus propiedades individuales. La composición de la mezcla es variable y sus componentes siempre podrán separarse por medios físicos. Dependiendo del número de fases que presentan las mezclas estas se dividen en:
Mezclas homogéneas: (Una fase) El aspecto y la composición son uniformes en todas las partes de la misma. Pueden ser:
•  Líquidas como: los refrescos y sueros
•  Sólidas como: el cemento y la pólvora )
•  Gaseosas (como el aire y el gas GLP)
 Mezclas heterogéneas: (Varias fases). Presentan componentes individuales que pueden observarse como tales. Pueden ser:
•  Coloides como: la mayonesa y la gelatina.
•  Suspensiones como: jugos de frutas, y algunos medicamentos
La figura 1.1 resume la clasificación de la materia, contenida en los párrafos anteriores.
Fig 1.1 Clasificación de la materia
  PROPIEDADES DE LA MATERIA
Para poder estudiar y entender que es la materia y como se comporta es necesario estudiar sus propiedades. Las cuales se clasifican como: generales ó extensivas y específicas ó intensivas.
Propiedades generales de la materia o extensivas.
Son aquellas propiedades de un cuerpo cuyo valor medible depende de la cantidad de masa, ejemplos: volumen, peso, número de moles.
Estas propiedades las presentan todos los cuerpos, por lo que no se emplean para diferenciar una sustancia de otra.
•  Masa. Medida de cantidad de materia de un cuerpo y que no varia de un lugar a otro en el universo.
•  Volumen . Es el espacio que ocupa un cuerpo, se determina por tres coordenadas tridimensionales y depende de su forma. Sus unidades son: cm 3 = 1ml ó dm 3 = 1L ó m 3 .
Ejemplo 1. Determine el volumen en cm 3 de un trozo de metal de forma esférica y cuyo radio es 2 cm .
Solución: Volumen de una esfera 
Reemplazando: 
Respuesta cm 3
•  Peso. Es la fuerza de atracción de la tierra sobre la masa un cuerpo.
Ejemplo 2. Si una persona pesa 70 kg en la tierra, si sale al espacio fuera de la gravedad terrestre, posiblemente pese menos, pero su volumen seguirá siendo el mismo. (Constante).
•  Número de moles . Es una medida de la cantidad de partículas de un cuerpo numéricamente es igual al número de Avogadro 6.023x10 23 átomos o moléculas para un elemento o un compuesto respectivamente.
Propiedades intensivas o específicas de la materia .
Estas propiedades no las presentan todos los cuerpos, ya que no dependen de la cantidad de masa, son importantes porque permiten distinguir a un cuerpo de otro. Pueden ser físicas como: la densidad, la conductividad eléctrica y maleabilidad, o químicas como: la electronegatividad, la acidez y la combustibilidad,.
•  Densidad. Es la relación que existe entre la masa y el volumen de un cuerpo. Se mide generalmente en Kg/m 3 ó g/ml y se determina mediante la ecuación:
 (1.1)

donde: = Densidad
*= masa
*= Volumen
La tabla 1.1 presenta la densidad de algunas sustancias.

Sustancia

Densidad en kg/m 3
Densidad en g/ml
Agua
1000
1
Aceite
920
0,92
Gasolina
850
0,85
Plomo
11300
11,3
Acero
7800
7,8
Mercurio
13600
13,6
Madera
900
0,9
Aire
1,3
0,0013
Butano
2,6
0,026
Dióxido de carbono
1,8
0,018
Diamante
3510
3,51
Tabla 1.1 Densidad de algunas sustancias
Ejemplo 3. Una persona encontró una mina con sustancias cristalinas parecidas a los diamantes, deseando saber, si efectivamente había encontrado diamantes realizó una prueba. Colocó una probeta de un litro con agua hasta un volumen de 200 mililitros, después sumergió una de las piedras que previamente había pesado, y cuya masa era de:70.2g. Observó que el volumen aumentó a 220 mililitros y se hizo la siguiente pregunta.
¿Serán diamantes?
Solución: Para la solución del problema construimos la siguiente tabla
Datos.
Fórmulas.
Sustituciones.
   vf=220 ml      v=vf-vi   220-200=20 ml
   vi=200 ml     d=m/v70.2/20
  m=70.2 g
• vf = volumen final   •  vi = volumen inicial
Se trata de diamantes pues el resultado es 3,51 g/ml que corresponde a la densidad de dicha sustancia.
Ejemplo 4 ¿Cuál es la densidad de 750 ml. de gasolina, cuya masa es de: 637.5 g .
Solución :
Datos.
Fórmula.
Sustitución
m=637.5g  d=m/v637.5/750 ml
v=750 ml
La densidad de la gasolina es 0,85 g/ml
Ejemplo 5La densidad del agua a 4 °C es 1,000 g/ml = 62,4 lb/pie 3 ¿Cual será la densidad del agua a 25 °C ?
Solución: Como la densidad del agua no varía mas de un medio por ciento en todo el intervalo de temperatura entre 0°C y 30 °C , el valor redondeado a 25 °C sigue siendo 1,000 g/ml
•  Conductividad eléctrica. Es la capacidad de los materiales de conducir corriente eléctrica.
•  Maleabilidad . Facilidad de ciertos materiales para poder moldearse.
•  Oxidación. Facilidad de una sustancia para perder electrones.
•  Acidez. Es la característica que presentan ciertas sustancias para ceder protones.
•  Elasticidad . Es la facilidad de un cuerpo para estirarse por una fuerza y volver a recuperar su forma al desaparecer esa fuerza. Este fenómeno lo observamos cuando estiramos una liga.
•  Combustibilidad . Es la capacidad de ciertas sustancias para poder arder fácilmente.
•  Electronegatividad . Fuerza para atraer electrones por parte de un elemento durante la formación de un enlace.
•  MASA Y ENERGIA
Durante mucho tiempo el concepto materia y masa se tomaron como sinónimos; sin embargo a principios del siglo XX Albert Einstein, demostró en su ecuación que la masa y la energía son dos componentes de la materia, pudiéndose interconvertir una en la otra.
La energía es la capacidad de producir trabajo y dado que toda acción o trabajo en la naturaleza implica energía esta se presenta en varias formas siendo las principales:
•  Energía Mecánica (cinética y potencial)
•  Energía Hidráulica
•  Energía Química
•  Energía Luminosa
•  Energía Eólica
•  Energía Solar
•  Energía Eléctrica
•  Energía Térmica o Calorífica
•  Energía Atómica o nuclear
•  Energía Geotérmica
Todas las formas de energía están relacionadas y pueden transformarse en una serie de formas de energía.
Ejemplo 6. En una central eléctrica la energía potencial determinada por la posición del agua en lo alto del reservorio, desciende por los tubos transformándose en energía cinética, que se convierte en eléctrica al mover los generadores y posteriormente en luminosa al ser utilizada para encender una bombilla; de igual forma la energía eléctrica puede volver a convertirse en mecánica al ser utilizada en un motor eléctrico.
Las transformaciones de materia y energía están expresadas en la Ley de la conservación de la materia (La masa no se crea ni se destruye y la masa total de una sustancia que participa en un fenómeno físico o químico permanece constante) y la Ley de conservación de la energía (La energía no se crea ni se destruye sino que se transforma de una forma a otra).
La teoría de la relatividad de Einstein establece que la materia y la energía están en íntima relación. Dice que E= mc en donde E es ENERGIA, expresada en ergios o julios; m es MASA y su medida es el gramo y el kilogramo y c es VELOCIDAD DE LA LUZ (300.000 Km/s). Esta relación se resume en la Ley de conservación de la materia y energía (“La matería y la energía pueden transformarse mutuamente, pero la suma total de la materia y energía del universo es constante).
•  FENOMENOS FISICOS Y QUIMICOS
Fenómeno Físico: Son cambios que no involucran la obtención de nuevas sustancias químicas.
Ejemplo 7 Si aplicamos una fuente de calor de forma constante, el agua hierve y se transforma en vapor de agua.
Fenómeno Químico: Son cambios que implican la transformación de una sustancia en otras sustancias.
Ejemplo 8 Si quemamos un papel, se transforma en cenizas y, durante el proceso, se desprende humo. (Inicialmente, tendríamos papel y oxígeno, al concluir el cambio químico tenemos cenizas y dióxido de carbono, sustancias diferentes a las iniciales).
•  MAGNITUDES, UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN
Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc.
Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene.
Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro.
Sistema internacional de unidades
Para resolver el problema que suponía la utilización de unidades diferentes en distintos lugares del mundo, en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas (París, 1960) se estableció el Sistema Internacional de Unidades (SI). Para ello, se actuó de la siguiente forma:
En primer lugar, se eligieron las magnitudes fundamentales y la unidad correspondiente a cada magnitud fundamental. Una magnitud fundamental es aquella que se define por sí misma y es independiente de las demás (masa, tiempo, longitud, etc.).
En segundo lugar, se definieron las magnitudes derivadas y la unidad correspondiente a cada magnitud derivada. Una magnitud derivadaes aquella que se obtiene mediante expresiones matemáticas a partir de las magnitudes fundamentales (densidad, superficie, velocidad).
En la tabla 1.2 puedes ver las magnitudes fundamentales del SI, la unidad de cada una de ellas y la abreviatura que se emplea para representarla:
Magnitud fundamentalUnidadAbreviatura
Longitudmetrom
Masakilogramokg
Tiemposegundos
TemperaturakelvinK
Intensidad de corrienteamperioA
Intensidad luminosacandelacd
Cantidad de sustanciamolmol
Tabla 1.2  Magnitudes fundamentales del SI
En el sistema internacional de unidades se emplean prefijos para designar fracciones decimales o múltiplos decimales de las unidades básicas del SI y de las unidades derivadas con nombres específicos, los mismos que se muestran en la tabla 1.3
Múltiplos y submúltiplos de las unidades del SI
Múltiplos
Submúltiplos
PrefijoSímboloPotenciaPrefijoSímboloPotencia
teraT10 12decid10 -1
gigaG10 9centic10 -2
megaM10 6milim10 -3
kiloK10 3microµ10 -6
hectoH10 2nanon10 -9
decaDa10 1picop10 -12
  Tabla 1.3 Múltiplos y submúltiplos de las unidades del SI
En la tabla 1.4 aparecen algunas magnitudes derivadas junto a sus unidades:
MagnitudUnidadAbreviaturaExpresión SI
Superficiemetro cuadradom 2m 2
Volumenmetro cúbicom 3m 3
Velocidadmetro por segundom/sm/s
FuerzanewtonNKg·m/s 2
Energía trabajojulioJKg·m 2 /s 2
Densidadkilogramo/metro cúbicoKg/m 3Kg/m 3
  Tabla 1.4 Magnitudes derivadas del SI

Sistema inglés y norteamericano
Los sistemas norteamericano y británico se basan en las tres magnitudes fundamentales longitud masa y tiempo, cuyas unidades son el pie, la libra y el segundo. Las otras unidades se derivan de estas tres.
Este sistema es legal en los EEUU y Gran Bretaña. Los ingenieros norteamericanos emplean el sistema inglés, pero los científicos han adoptado el sistema métrico.
Factores de conversión entre el sistema Ingles y el SI
Longitud 1 pulgada (1 pulg) = 2,54 cm
1 pie (ps) = 12 pulg = 30,48 cm
1 yarda (yd) = 3 pies = 36 pulg = 91,44 cm
1 milla terrestre = 1.690 m = 1,960 Km
1 Km = 0,6214 millas
Masa 1 tonelada métrica = 1.000 Kg = 2.205 llibras (lb)
1 tonelada larga (inglesa) = 240 lb
1 lb = 453,6 g = 16 onzas (oz)
1 oz = 28,35 g
1 tonelada larga (americana) = 2.000 lb
1 Kg = 2,205 lb
Volumen 1 pulgada cúbica (pulg 3 ) = 16,39 cm3
FACTORES DE CONVERSIÓN
La base fundamental de los factores de conversión es el desarrollo de una relación en forma de factor para representar diferentes unidades que expresan la misma dimensión física. Por ejemplo, en el caso de la longitud, 1 m es igual a 100 cm , por tanto podemos expresar esta igualdad de dos formas:
1m / 100 cm
                                               1m=100m
1000 cm/1 m
• Se puede leer un metro es igual a 100 cm   o • 100 cm es igual a 1 m
Los factores de conversión se emplean para expresar unas unidades en otras. De cada igualdad se puede establecer dos factores de conversión y es necesario saber seleccionar el factor apropiado, durante su aplicación.
Ejemplo 9 Calcule a cuantos litros equivale 563 cm3
Solución: La igualdad que relaciona L y cm 3 es 1L=1000 cm 3 por tanto los factores de conversión son:
1L / 100 cm

                                         1L=1000 
1000 cc3 /1 L
Habiendo establecido el factor de conversión adecuado a utilizar se multiplica este por las cantidades o unidades dadas. En este sentido:
Otras magnitudes derivadas del SI
Peso específico o densidad relativa. – El peso específico de un cuerpo es un número que carece de unidades y designa la relación de la masa de un cuerpo y la masa de un volumen igual de la sustancia que se toma como patrón. Peso específico es además la relación de densidades, es decir, la densidad de la sustancia sobre la sustancia patrón.
Los sólidos y los líquidos se refieren al agua como sustancia patrón, mientras que los gases se toman respecto al aire como patrón.
Pe = masa del líquido o sólido = densidad del líquido o sólido (1.2)
masa patrón densidad patrón
Pe = masa de un sólido o líquido (1.3)
masa de un volumen igual a 4 °C
Densidad del agua = 1 g/ml ó 1 Kg/m 3 (Condiciones T = 4 °C y P = 1 atm)
Densidad del aire = 1,293 g/l (Condiciones T = 0 °C y P = 1 atm)
El peso específico es igual a la densidad en valor numérico si la densidad está expresada en g/ml.
Ejemplo 10 Si una pieza de aluminio pesa 2,70 veces lo que un volumen igual de agua, su peso específico es 2,70 en cualquier sistema de unidades. Si este hecho se aplica al intervalo de temperatura de 0 °C y 30 °C en que la densidad del agua es 1 g/ml (ver ejemplo 5), la densidad del aluminio es 2,70 g/ml
Ejemplo 11 Cual es la densidad de un disco de bronce de 2,5 cm de diámetro y 8 mm de espesor. El disco pesa 34,50 g . Cual es su peso específico relacionado con la densidad del aluminio que es 2,7 g/ml.
Solución
d = ? a) Volumen del cilindro = p r 2 h
d = 2,5 cm = p (d/2) 2 h
h = 8 mm = p d 2 /4 h
M = 34,50 g V = 3.14 x ( 2,5 cm ) 2 /4 x 0,8 cm
d AL = 2,7 g/ml V = 3,925 cm 3
d = 34,50g/3,92
d = 8,80 g/ml
b) Pe = d bronce/ d aluminio
Pe = 880 g/ml = 3.26
2,7 g/ml
Energia.- Es la capacidad que tienen las sustancias para producir un cambio en las propiedades de la materia o en el estado de los cuerpos. La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo o producir cambios tales como la posición o la temperatura de un cuerpo.
Las unidades SI de la energía es el Joule (J) = Kg.m 2 s 2
Uno de los tipos de energía que existe es la energía calórica la cual se define como la energía que se transfiere desde una sustancia aa otra cuando existe una diferencia de temperatura entre ellas y está asociado con el movimiento al azar de las partículas de materia muy pequeñas. La cantidad de energia que un objeto gana o pierde se mide al calorías o Joule y el grado de calor de un objeto (temperatura) se mide en grados.
Calor específico.- Una caloría es una unidad para medir la energía calorífica y es igual a la cantidad de calor (o cantidad de energía) que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado. Una caloría equivale a 4,184 J.
Una unidad que se utiliza con frecuencia en ingeniería es la Unidad Térmica Británica (BTU) (1 BTU = 1,05 J). Un BTU es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de una libra de agua en 1 °F .
Una propiedad de la materia es que necesita cierta cantidad de calor para producir un cambio dado de temperatura por unidad de masa.El calor especifico se define por el número de joles necesarios para elever la temperatura de un gramo de la sustancia en un grado centígrado. El calor específico se representa por la letra c. La cantidad de calor absorbida de una sustancia al elevar su temperatura puede calcularse mediante la ecuación:
Q = m.c. donde Q = cantidad de calor
m = masa
T= Cambio en la temperatura
Ejemplo 12 Calcular la cantidad de calor absorbido por 10 g de agua cuando la temperatura aumenta de 20 °C hasta 75 °C . El calor específico del agua es de 4,184 J o sea 1 cal/g°C

Solución: Q = m.c. . D T
Q = 10 g x 4,184 J/g°C (75 – 20)°C

Q = 2301 J = 550 cal

Ejemplo 13 Para elevar la temperatura de 50 g de alcohol etílico desde 20,1 °C hasta 27 °C se necesita 200 cal ¿Cuál es su calor especófico?
Solución Q = m.c. . D T
Por tanto c = Q / m. . D T c = 200 cal / 50 g * (27 – 20)°C = 0,58 cal/g°C
Temperatura: Es una medida de la cantidad de calor. Para medir la temperatura se utilizan termómetros Los termómetros modernos funcionan sobre la base de la tendencia de algunos líquidos a expandirse cuándo se calientan. Cuando el fluido dentro del termómetro absorbe calor, se expande, ocupando un volumen mayor y forzando la subida del nivel del fluido dentro del tubo. Cuando el fluido se enfría, se contrae, ocupando un volumen menor y causando la caída del nivel del fluido.
En base a este principio se han establecido dos tipos de escalas termométricas:
•  Escalas Relativas: Toman como puntos de origen los puntos de congelación de algunas sustancias conocidas. El cero de sus escalas son arbitrarias. Estas escalas son: Centígrada y Fahrenheit.
•  Escala Celsius o Centígrada: Se marca con cero al punto de congelación del agua y con 100 a la temperatura de ebullición, ambos a nivel del mar y a presión de 1 atmósfera. El espacio entre los puntos fijos esta dividido en 100 unidades iguales, correspondiendo cada división a 1 °C . Los espacios por encima de los 100°C y debajo de los 0°C también están divididos en unidades del mismo valor. El cero absoluto, teóricamente la temperatura mas baja posible es –273 °C
•  Escala Fahrenheit: En esta escala los puntos de fusión y ebullición son 32° y 212 °F . El espacio entre estos valores esta dividido en 180 unidades al igual que los espacios por encima de los 212°F y debajo de 32 °F . La temperatura de 0°F se obtiene de una mezcla de sales amoniacales con hielo. Un grado centígrado es 9/5 mayor que el Fahrenheit.
•  Escalas absolutas: Son aquellas donde el cero de sus escalas indica el cero absoluto, es decir el punto en el cual las moléculas de las sustancias no se mueven ni vibran, han perdido toda la energía calorífica, no existe absolutamente flujo de calor, por lo tanto con referencia a una presión nula (vacío absoluto). Estas escalas son Kelvin y Rankine.
•  Escala Kelvin: Corresponde a la absoluta de la escala centígrada , llamada por tal razón métrica absoluta; tiene la misma división de la escala que el termómetro centígrado. El cero absoluto de temperaturas –273°C se denomina cero absoluto y se toma como punto cero de la escala Kelvin. La temperatura de fusión del agua corresponde a 273 °K y la de ebullición corresponde a 373 °K
•  Escala Rankine: Se conoce también como la escala Fahrenheit absoluta, tiene la misma división que la escala Fahrenheit.
La conversión entre las escalas se realiza mediante las siguientes ecuaciones:
°F = (9/5°C)+32 °C = 5/9 (°F-32)
K = 273 + °C °C = K – 273
R = 460 + °F °F= R – 460
R = 9/5 K
La figura 1.2 hace una comparación entre las escalas de temperatura
Fig. 1.2 Escalas de temperatura
Ejemplo 14 Convertir- 25 °F a °C y K
Solución: Empleando la ecuación
°C = 5/9 (°F-32)
= 5/9 (-25 – 32)
= 5/9 (-57)
= -31,7 °C
Empleando la ecuación
K = °C +273
= -31,7 +273
= 241,3 K
Ejemplo 15 El Xenón tiene un punto de congelación de 133 K ¿ Cuál es su punto de congelación en la escala Fahrenheit.
Solución: Primero transformamos a °C
°C = K –273
= 133 – 273
= -140 °C

Solución en °F
°F = 9/5 °C + 32
= 9/5 (-140) + 32
= -220 °F

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