unidad i química básica
Post on 06-Dec-2015
25 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
UNIDAD I. Fundamentos de química.
La Química es considerada como una ciencia que día con día se desarrolla e
interviene en todos los aspectos de nuestra vida, es una de las ciencias que más
contribuyen en el desarrollo de la civilización.
Con sus descubrimientos, la humanidad dispone actualmente de una gran variedad
de satisfactores, la tecnología química es la base de la industria química, la cual
produce una increíble variedad de productos que influyen, en los aspectos de la vida,
dentro de estos productos se encuentran, los agroquímicos, tan importantes para
tener mejores alimentos, los plásticos tan útiles en el hogar en nuestros días,
elaboración de productos farmaceutas, vacunas, antibióticos, medicinas en general,
entre otros.
La Química estudia la estructura y el comportamiento de la materia; es el estudio de
las sustancias (materia), especialmente de su estructura, composición, propiedades y
transformaciones que en ella pueden ocurrir. Así como las leyes que rigen esos
cambios y transformaciones. Así pues, la química es la ciencia que describe la
materia, y los cambios físicos y químicos que sufre y las variaciones de energía que
acompañan a estos procesos.
Química es la ciencia de la materia, la energía y los cambios que experimenta la
materia, acompañados siempre de transformaciones de energía. Al analizar los
fenómenos de la naturaleza observamos cambios físicos y químicos, diferentes
estados de materia y además podemos hacer observaciones cualitativas y
cuantitativas.
La Química se considera una ciencia central porque se basa en los principios de
ciencias como la Física y las Matemáticas, asimismo, y a su vez es base para las
ciencias de la vida Biología y Medicina. En la Tabla 1.1 se muestran las ramas en las
que se divide la Química.
QUÍMICA BASICA Academia de Química1
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Tabla 1.1. Ramas de la Química
Rama Campo de estudio Ejemplo
Química orgánicaCompuestos que contienen carbono en su estructura.
Preparación de la aspirina (C9H8O4)
Química inorgánicaSustancias que no contienen carbono.
Funcionamiento de una batería de cobre.
Química analíticaComposición de una muestra: Cualitativa y cuantitativamente.
Análisis de las aguas residuales de una industria.
Fisicoquímica
Estructura de las sustancias, la rapidez con que reaccionan y el papel del calor en los cambios químicos.
Cambios que se presentan en la fusión del hielo.
BioquímicaReacciones química de los seres vivos.
Comprensión del mecanismo de la asimilación de alimentos.
1 Introducción a la materia y la energía
Materia es todo lo que constituye el universo, ocupa un lugar en el espacio tiene
masa y peso, cualquier sustancia o cuerpo que puede medirse o pesarse.
La masa es una medida de la cantidad de materia en una muestra de cualquier
material, cuanto más masivo es un objeto, más fuerza se necesita para ponerlo en
movimiento, es una propiedad de la materia que determina su resistencia a ser
puesto en movimiento o a cualquier cambio en el desplazamiento que ya tiene.
La energía se define como la capacidad para efectuar o realizar un trabajo, cuando
dicho trabajo se realiza, se gasta energía, esta relacionada con los cambios
dinámicos que se utilizan para efectuar un trabajo.
Así pues, la energía puede manifestarse en diferentes formas y transformarse de una
forma a otra. En la Tabla 1.2 se muestran diversas formas de energía y su fuente.
Existen dos tipos de energía: cinética (movimiento) y potencial (reposo).
QUÍMICA BASICA Academia de Química2
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Tabla 1.2. Formas de energía y sus fuentes.
Forma de energía Fuente
Energía caloríficaCombustión de carbón, madera, petróleo, gas natural, gasolina y otros combustibles.
Energía eléctrica Plantas hidroeléctricas o termoeléctricas.
Energía química Reacciones químicas.
Energía hidráulica Corrientes de agua.
Energía eólica Movimiento del aire.
Energía nuclear Ruptura del núcleo atómica mediante la fisión nuclear.
Biomasa Cultivar plantas y quemarlas para producir energía.
Energía lunar Potencia de las mareas
Energía geotérmicaFuerzas gravitacionales y radiactividad natural en el interior de la tierra (géiseres y volcanes).
Energía radiante Ondas electromagnéticas (ondas de radio, rayos luminosos, etc.)
Cuando ocurren algunos procesos se libera energía a los alrededores, habitualmente
como energía calorífica. A tales procesos los llamamos exotérmicos, cualquier
reacción de combustión (quemar) es exotérmica. Ejemplo: cuando quemamos una
muestra de magnesio metálico en el aire
Mg(s) + O2(g) MgO2(s) + energía calorífica y luminosa
Sin embargo algunas reacciones químicas y procesos físicos (fusión del hielo) son
endotérmicos: es decir absorben energía de sus alrededores.
Ley de la conservación de la materia: (Lavoisier)
“La materia no se crea ni se destruye solo se transforma”
En una reacción química, la masa total de los productos es igual a la masa total de
los reactivos. Ejemplo: supongamos que se tienen 100 g de agua que se
QUÍMICA BASICA Academia de Química3
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
descomponen en hidrógeno y oxígeno; la masa total del hidrógeno y del oxígeno es
igual a 100 g.
Ley de la conservación de la energía: (Mayer):
“La energía no se crea ni se destruye solo se transforma de una forma o
manifestación a otra”
En un cambio químico, parte de la energía química almacenada en los compuestos
se libera durante la reacción en forma de energía térmica y luminosa. No obstante, la
cantidad total de energía se mantiene constante, aunque tome diferentes formas.
Ley de la materia y la energía: en 1905, Albert Einstein planteo la idea de que es
factible convertir la materia en energía (fisión o reacción nuclear) y la energía en
materia, cosa que no se ha observado a gran escala ya que solo ocurre esto último
en los desintegradores atómicos o aceleradores de partículas usados para inducir
reacciones nucleares.
E = mc2
esta ecuación que relaciona la materia y la energía, nos dice que la cantidad de
energía liberada cuando la materia se transforma en energía es el producto de la
masa de la materia transformada por el cuadrado de la velocidad de la luz. La
cantidad total de materia y energía del universo no aumenta ni disminuye. No
obstante la materia y la energía pueden transformarse entre sí. La cantidad
combinada de materia y energía en el universo es fija.
2 Estados de la materia
Examinemos de que esta hecho el universo. Existen millones de diferentes clases de
productos químicos; pero todos ellos existen, en general, solo en tres formas físicas
diferentes o en estados de materia: sólido, líquido y gaseoso (Figura 1.1).
QUÍMICA BASICA Academia de Química4
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Figura 1.1. Estados de la materia.
El estado en el que exista la sustancia depende de tres factores, tipo de material,
temperatura y de la presión a que está sometida.
En el estado sólido, las sustancias tienen forma rígida y volumen definido o fijo
(volumen y forma definidos) y una consistencia que le es propia. Los volúmenes de
los sólidos no varían con los cambios de temperatura y presión. Los sólidos no se
pueden comprimir. Existe una gran fuerza de cohesión (fuerzas de atracción) de sus
moléculas y estas a su vez presentan una muy baja o nula energía cinética,
únicamente vibran en sus movimientos. En muchos sólidos, llamados sólidos
cristalinos, las partículas individuales que constituyen el sólido ocupan posiciones
definidas en la estructura cristalina.
En el estado líquido, las partículas individuales están confinadas en un volumen dado
(presenta volumen fijo). Un líquido fluye y adopta la forma del recipiente o sea que no
presenta forma propia definida. Los líquidos son muy difíciles de comprimir. Existe
una fuerza de cohesión regular de sus moléculas y estas a su vez presentan cierta
energía cinética y se deslizan unas sobre otras (fluidos).
Los gases ocupan todo el recipiente en que están contenidos, también son fluidos.
No tienen forma y volumen definidos. Los gases pueden expandirse y se comprimen
con facilidad. Consisten fundamentalmente en espacio vacío, ya que las partículas
individuales están muy separadas. Existe una fuerza de cohesión nula de sus
moléculas y estas a su vez presentan una gran energía cinética, se alejan unas de
otras por repulsión.
Tabla 1.3. Estados de la materia
Estado Sólido Liquido Gaseoso
QUÍMICA BASICA Academia de Química5
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Forma Definida Indefinida Indefinida
Volumen Definida Definida Indefinido
Compresibilidad Incompresible Incompresible Compresible
Cohesión Grande Moderada Despreciable
Energía Mínima Intermedia Máxima
Existe sin embargo un cuarto estado de la materia denominado plasma, que sé ha
conseguido a temperaturas muy altas, en el cual todas las moléculas se hallan
disociadas en sus respectivos átomos y la mayoría de los átomos en forma iónica,
así también muchas partículas elementales como protones, neutrones y electrones
sueltos, por ejemplo el fuego, las estrellas, entre otros.
Los cambios de estado que ocurren entre los primeros tres estados de la materia
son: sublimación, fusión, y evaporación, con absorción de calor (endotérmicos);
condensación, solidificación y licuación con liberación de calor (exotérmicos), estos
se muestran en la Figura 1.2.
Figura 1.2. Cambios de estado.
QUÍMICA BASICA Academia de Química
SÓLIDO LIQUIDO GAS
Fusión Evaporación
Solidificación Condensación
Sublimación
Deposición
6
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Un cambio de estado se define como la transformación molecular de la materia de
una estructura inicial a otra diferente, de manera reversible, bajo condiciones de
presión y temperatura.
3 Propiedades químicas y físicas
Cada sustancia tiene un conjunto único de propiedades o características que
permiten reconocerla y distinguirla de otras sustancias. Estas propiedades se pueden
agrupar dentro de dos categorías: físicas y químicas.
Propiedades físicas
Las propiedades físicas son las que podemos medir sin cambiar la identidad y la
composición básica de la sustancia. Incluyen color, olor, densidad, punto de fusión,
punto de ebullición, punto de solidificación, dureza, entre otras.
Todas las sustancias exhiben también propiedades físicas que pueden ser
observadas en ausencia de variaciones en la composición. Conductividad eléctrica y
térmica, son también propiedades físicas. Algunas de las propiedades físicas de una
sustancia dependen de las condiciones, como temperatura y presión a que son
medidas.
Propiedades químicas
Las propiedades químicas describen la forma en que una sustancia puede cambiar o
reaccionar para formar otras sustancias. Por ejemplo una propiedad química común
es la inflamabilidad, la capacidad de una sustancia a arder en presencia de oxígeno.
Las propiedades químicas son las propiedades exhibidas por la materia cuando sufre
cambios en su composición. Por ejemplo la combinación del magnesio metálico con
el oxígeno gaseoso para formar oxido de magnesio como un polvo blanco. Una
propiedad química del magnesio es que puede combinarse con el oxígeno. Otro
ejemplo, la oxidación del hierro implica una propiedad química del mismo, ya que su
composición cambia a la de óxido de hierro.
QUÍMICA BASICA Academia de Química7
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
4Fe(s) + 3O2(g) 2Fe2O3
Algunas propiedades como la temperatura, el punto de fusión y ebullición, calor
específico, la densidad, color no dependen de la cantidad de muestra o materia que
sé esta examinando. A este tipo de propiedades se les llama propiedades intensivas
y son especialmente útiles en química porque muchas de ellas pueden servir para
identificar las sustancias. Las propiedades extensivas de las sustancias dependen de
la cantidad de sustancia o materia presente. Por ejemplo volumen, masa, peso,
longitud, calor, energía potencial,
4 Cambios químicos y físicos
Al igual que se hace con las propiedades de una sustancia o de la materia, los
cambios que sufren las sustancias se pueden clasificar como físicos y químicos.
Cambios físicos
Durante los cambios físicos una sustancia varía en su apariencia física pero no en su
composición. La evaporación del agua es un cambio físico ya que esta cambia del
estado líquido al gaseoso, pero su composición no se altera; sigue siendo agua y en
el proceso se absorbe o libera energía. Un cambio físico ocurre sin cambio alguno en
la composición química de la materia. La misma sustancia esta presente después de
un cambio físico, aunque el estado físico de la sustancia o el tamaño y forma general
de sus fragmentos haya cambiado.
Cambios químicos
En los cambios químicos (también llamados reacciones químicas), una sustancia o la
materia se transforma en una sustancia químicamente distinta. Por ejemplo la
descomposición del agua en sus componentes hidrógeno y oxígeno por electrólisis;
el agua ya no es agua. También cuando se quema hidrógeno en aire, sufre un
cambio químico en el que se convierte en agua.
En cualquier cambio químico, intervienen una o más sustancias, se forman una o
más sustancias nuevas y se absorbe o libera energía, La energía siempre se libera o
QUÍMICA BASICA Academia de Química8
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
absorbe cuando ocurren cambios físicos o químicos. Los cambios físicos y, en mayor
medida, las reacciones químicas a menudo van acompañados de transferencias de
energía.
Figura 1.3. Electrolisis del agua
5 Mezclas, sustancias, compuestos y elementos
La mayor parte de las formas de materia con las que nos topamos, por ejemplo el
aire que respiramos (un gas), la gasolina para los autos (un líquido) y la acera por la
que caminamos (un sólido), no son químicamente puras. No obstante, podemos
descomponer, o separar, esta clase de materia en diferentes sustancias puras.
Todo lo que existe en el universo esta 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 están formados por una combinación
de elementos en una proporción definida.
Sustancias puras
Una sustancia pura (que normalmente llamamos sólo sustancia) es materia que tiene
una composición física y propiedades características. Por ejemplo el agua y la sal de
mesa, los principales componentes del agua de mar, son sustancias puras. Podemos
clasificar las sustancias como elementos o compuesto.
QUÍMICA BASICA Academia de Química9
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Figura 1.4. Clasificación de la materia.
Una sustancia no puede separarse o purificarse más por medios físicos. Una
sustancia es materia de un tipo específico. Cada sustancia tiene un conjunto bien
definido de propiedades características que son diferentes de las propiedades de
cualquier otra sustancia. La sustancia también tiene la misma composición (los
mismos componentes en las mismas proporciones) que cualquier otra muestra de
esa sustancia.
Elementos
Los elementos son sustancias que no pueden descomponerse en sustancias más
simples. Cada elemento se compone de un solo tipo de átomo (Na; átomo de un
elemento, O2; molécula de un elemento).
En la actualidad se conocen 114 elementos, los cuales varían ampliamente en su
abundancia. Más del 90% de la corteza terrestre consta de sólo cinco elementos:
oxígeno, silicio, aluminio, hierro y calcio. En contraste, sólo tres elementos (oxígeno
carbono e hidrógeno) dan cuenta de más del 90% de la masa del cuerpo humano.
Para representar los elementos usamos un conjunto de símbolos.
QUÍMICA BASICA Academia de Química10
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Figura 1.5. Elementos en porcentaje por masa, en (a) la corteza terrestre (incluidos los océanos y la atmosfera) y (b) el cuerpo humano.
Relativamente, muy pocos elementos aparecen como elementos libres,
aproximadamente un cuarto de los que existen en la naturaleza. El resto se
encuentra combinado químicamente con otros elementos. Un elemento es una
sustancia que no puede descomponerse en otras más simples por medios químicos.
Compuestos
Los compuestos se componen de dos o más elementos, y por lo tanto contienen dos
o más clases de átomos. Ejemplo H2O.
Casi todos los elementos pueden interactuar con otros elementos para formar
compuestos. El hidrógeno gaseoso, por ejemplo, arde en oxígeno para formar agua.
Por otro lado es posible descomponer agua en sus elementos constituyentes
pasando a través de ella una corriente eléctrica (electrólisis).
Figura 1.6. Ejemplo de una mezcla de hidrogeno y oxigeno sufre un cambio químico para formar agua.
Las propiedades del agua no se parecen a la de sus elementos componentes.
Además la composición del agua no es variable. El agua pura, sea cual sea su
QUÍMICA BASICA Academia de Química11
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
origen, consiste en 11% de hidrógeno y 89% de oxígeno en masa. La observación de
que la composición elemental de un compuesto puro siempre es la misma se conoce
como ley de composición constante o ley de las proporciones definidas.
Un compuesto es una sustancia que puede descomponerse por medios químicos en
sustancias más simples, siempre en la misma relación de masas. Además, podemos
decir que un compuesto es una sustancia pura que consiste en dos o más elementos
diferentes en una relación fija. Diferentes muestras de cualquier compuesto puro
contienen los mismos elementos en las mismas proporciones de masa.
Mezclas
La mayor parte de la materia que vemos a diario consiste en mezclas de diferentes
sustancias. Casi cualquier muestra de materia que encontremos ordinariamente es
una mezcla. Solo unas cuantas sustancias están presentes en la naturaleza en forma
pura. El oro, los diamantes y el azufre son ejemplos, pero estas sustancias son casos
especiales. Vivimos en un mundo de mezclas. Las mezclas son combinaciones de
dos o más sustancias en las que cada sustancia conserva su propia identidad
química y por ende sus propiedades, (composición y propiedades).
En tanto las sustancias puras tienen composiciones fijas, las composiciones de las
mezclas pueden variar (composición variable). Por ejemplo una tasa de café
endulzado puede contener poca o mucha azúcar. Las sustancias que componen una
mezcla (como azúcar y agua) se denominan componentes de la mezcla.
Las mezclas se clasifican en mezclas homogéneas (soluciones) y mezclas
heterogéneas. En una mezcla heterogénea pueden distinguirse con facilidad las
diferentes fases que forman la mezcla, mientras que en una mezcla homogénea no
hay distinción de fases.
Algunas mezclas, como la arena, las rocas y la madera, no tienen la misma
composición, propiedades y aspecto en todos sus puntos. Tales mezclas son
QUÍMICA BASICA Academia de Química12
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
heterogéneas. No son uniformes en todas sus partes. Puede verse la textura
desigual del material. En una mezcla heterogénea las propiedades de una región
(fase) son distintas de las propiedades de otra región.
Las mezclas que son uniformes en todos sus puntos son homogéneas. El aire es una
mezcla homogénea de las sustancias gaseosas nitrógeno, oxígeno y otros. El
nitrógeno del aire tiene todas las propiedades del nitrógeno puro porque tanto la
sustancia pura como la mezcla contienen las mismas moléculas de nitrógeno.
La sal, el azúcar y muchas otras sustancias se disuelven en agua para formar
mezclas homogéneas, llamadas soluciones o disoluciones. El aire es una solución
gaseosa; la gasolina es una solución líquida; el latón es una solución sólida (aleación
de cobre y cinc), que están en el mismo estado.
Las propiedades de una mezcla homogénea son las mismas en todos los puntos de
una muestra dada, pero pueden variar de una muestra a otra dependiendo de las
proporciones relativas de los componentes.
Las mezclas se separan en sus componentes por procesos físicos de separación
(filtración, evaporación, destilación, centrifugación, cristalización, decantación,
sublimación, imantación, cromatografía, etc.), mientras que los compuestos se separan
en sus constituyentes por procesos químicos, proceso más difícil de todo.
Figura 1.7. Destilación
6 Mediciones en Química
QUÍMICA BASICA Academia de Química13
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Muchas propiedades de la materia son cuantitativas; es decir están asociadas a
números. Cuando un número representa una cantidad medida, siempre debemos
especificar las unidades de esa cantidad. Decir que la longitud de un alambre de
cobre es 23.5 no tiene sentido. Decir que tiene 23.5 cm especifica correctamente la
longitud. Las unidades que se emplean para mediciones científicas son las del
sistema métrico, el cual se emplea como sistema de medición en casi todos los
países del mundo.
7 Unidades de medida
El sistema métrico de medidas es usado universalmente en los trabajos científicos.
Es un sistema decimal en el cual se hacen cambios de una unidad a otra moviendo
la coma un número apropiado de lugares. En el sistema CGS de unidades, las
magnitudes básicas son longitud, masa y tiempo, correspondiéndole como unidades
el centímetro (cm), el gramo (g) y el segundo (s), respectivamente. En cambio, en el
sistema MKS de unidades, las unidades básicas son el metro (m), el kilogramo (kg) y
el segundo (s).
Sin embargo, en todo el mundo los científicos han adoptado un sistema de unidades
estandarizado conocido como Sistema Internacional de Unidades (SI), y se basa en
siete unidades fundamentales detalladas en la Tabla 1.4.
TABLA 1.4. UNIDADES FUNDAMENTALES DEL si
Magnitud física Nombre de la Unidad Símbolo
Masa kilogramo kg
Longitud Metro m
Tiempo Segundo s
Temperatura Kelvin K
Cantidad de sustancia Mol mol
Corriente eléctrica ampere A
Intensidad luminosa candela cd
QUÍMICA BASICA Academia de Química14
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías
Con el fin de expresar cantidades de medida pequeñas o grandes en términos
de pocos dígitos simples, se utilizan varios prefijos con estas unidades básicas
así como otras derivadas (Tabla 1.5).
Tabla 1.5. Prefijos multiplicativos
Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo Factor
giga- G 109 micro- 10-6
mega- M 106 nano- n 10-9
kilo- k 103 pico- p 10-12
deci- d 10-1 femto- f 10-15
centi- c 10-2 atto- a 10-18
mili- m 10-3
8 Densidad y densidad relativa
La densidad es una propiedad característica de una sustancia, está determinada por
su naturaleza, pero no por la cantidad de sustancia que se considere. La densidad
representa la relación masa/volumen de una sustancia. Para los sólidos y líquidos la
masa se expresa en gramos (g) y el volumen en mililitros (mL) o centímetros cúbicos
(cc). Para los gases el volumen se expresa en litros (L). En el sistema métrico la
densidad tiene unidades de kg·L-1 o g·mL-1.
El volumen de todas las sustancia aumenta directamente con la temperatura. Esta
variación es especialmente importante en las sustancias gaseosas y líquidas. La
densidad es, por lo tanto, una propiedad dependiente de la temperatura. Las
densidades pueden usarse para distinguir entre dos sustancias o para ayudar a
identificar una sustancia. La densidad relativa de una sustancia es la relación entre
su densidad y la del agua, ambas a la misma temperatura:
QUÍMICA BASICA Academia de Química15
top related