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Unformatted text preview: __________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________ Sus fundamentos permite a los científicos separar a las sustancias en los más pequeños componentes y explicar muchas de sus características físicas y químicas nos permite conocer la estructura y propiedades de la materia, resolver problemas y necesidades mundiales como: diseño y síntesis de nuevos fármacos, agroquímicos, polímeros, combustibles, nuevos materiales, estudio de los procesos naturales, como las complejas reacciones bioquímicas, etc. TEMA 1 QUÍMICA Y MATERIA Así también ayuda a encontrar nuevas fuentes de energía relacionadas con la calidad de nuestro ambiente; métodos para la eliminación de los desechos nucleares. 1.1. Concepto de química La química es la ciencia que describe la materia, sus propiedades físicas y químicas, los cambios que experimenta y las variaciones de energía que acompaña a dichos procesos. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, químicamente, puede clasificarse en dos grandes grupos: sustancias puras y mezclas La química puede dividirse de muchas maneras como general y descriptiva, orgánica e inorgánica, cuantitativa y cualitativa. La siguiente es la división más usual: 1.2. La materia Es todo lo que ocupa un espacio y tiene masa, es todo lo que nos rodea ya sea que se puede ver y tocar como el agua y las rocas o no como el aire. La materia está constituida por sustancias y mezclas de sustancias. Una sustancia es una especie pura y puede ser elementos o compuesto como el hidrógeno, el sodio, el cloro, el agua, el cloruro de sodio, etc. Una definición moderna dice que la materia es energía sumamente condensada. a.- Química Inorgánica.- Estudia la estructura, las propiedades la obtención y aplicaciones de las sustancias inorgánicas, o elementos y compuestos propios de cuerpos inanimados. b.- Química Orgánica.- Estudia la estructura, propiedades, obtención natural, síntesis y aplicaciones de las sustancias orgánicas o provenientes de organismos vivos, También se llama química del carbono. Todas las propiedades medibles de la materia pertenecen a una de las dos categorías: propiedades extensivas y propiedades intensivas. Propiedad extensiva: Depende de la cantidad de materia considerada: masa, longitud, volumen. Son propiedades aditivas. Propiedad intensiva: no dependen de cuanta materia se considere: densidad, temperatura. No son aditivas. c.- Fisicoquímica.- Estudia la interacción de la energía con la materia y los fenómenos que esto conlleva en forma cuantitativa. Esta constituida por la termoquímica, el equilibrio químico y físico, la electroquímica, la cinética química o estudio de las velocidades de reacción, la mecánica cuántica y estadística, La fotoquímica y espectroscopia, los fenómenos de transporte y superficie. 1.3. Cambios físicos y químicos d.- Química Analítica.- Estudia los métodos y equipo para determinar la composición de la materia en forma cualitativa y cuantitativa, esta da lugar a muchas especialidades de la química como carrera profesional: bromatólogo o analista de alimentos, instrumentista o analista especializado en equipos de precisión para análisis, Analista de minerales y rocas, Analista de aguas, Control de calidad de sustancias químicas, etc. Un cambio físico es aquel fenómeno que transforma la materia de una forma a otra sin alterar su composición química, antes y después del cambio la sustancia sigue siendo la misma, así por ejemplo los cambios de estado físico, para el agua si se la calienta desde -5ºC hasta 105 ºC a 1 Atmósfera de presión, va pasando por los estados sólido: hielo, liquido: agua líquida y gas: vapor de agua. Gasificación Fusión S Importancia Solidificación L Licuación Sublimación La Química tiene importancia fundamental en todas las áreas de las ciencias y tecnología. 1 G __________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________ Compuestos: Son sustancias puras formada por dos o más elementos diferentes combinados en una proporción constante. Todos los compuestos se pueden descomponer en sustancias más simples, ya sean elementos o compuestos más sencillos. Un cambio químico es una transformación de una sustancia en otra, también se llama una REACCIÓN QUÍMICA. Después de la reacción las sustancias resultantes son diferentes que al inicio. Si se quema carbón, se transforma en anhídrido carbónico C (s) + O2(g) à CO2(g) Por ejemplo, el compuesto agua (H2O) se puede descomponer por medio de la electricidad en sus elementos constituyentes, hidrógeno y oxigeno; por medio de la experimentación se ha determinado que el hidrógeno y oxigeno siempre están presentes en la misma proporción en masa, 11.1 % H y 88,9 % O. Por otra parte, las propiedades físicas y químicas de un compuesto son diferentes de las propiedades de sus elementos constituyentes. Por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl) en un sólido blanco que habitualmente se emplea como sal de mesa, este compuesto se forma por la combinación de sodio (un metal blanco plateado y suave que reacciona violentamente con el agua) y cloro (un gas verde pálido, corrosivo y tóxico). Si el anhídrido carbónico se lo burbujea en agua se transforma en ácido carbónico. CO2(g) + H2O(l) H2CO3(ac) Ecuación química.- Un cambio químico se denota con una ecuación química en la que se puede notar las sustancias que reaccionan, la proporción en la que reaccionan, las sustancias productos de la reacción, y los estados físicos de cada sustancia: sólido (s), líquido (l), gas (g), en solución acuosa (ac). Ejemplo: La formación del agua a partir del hidrógeno y el oxígeno: b.- Mezclas.- Muestras de materia compuesta de dos o más sustancias, cada una de las cuales conserva su identidad y propiedades (si es heterogénea). Las sustancias químicas se pueden clasificar a la vez como sustancias elementales o compuestos y las mezclas en homogéneas y heterogéneas. La separación de los componentes de mezclas es muy importante y las técnicas que se emplearán en esta práctica son los métodos de uso más común para separar mezclas. Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas. H2(g) + ½ O2(g) à H2O(l) 1.3. Clasificación La materia se clasifica inicialmente en sustancias puras y mezclas. Materia Sustancias puras Mezclas homogéneas.- Una mezcla homogénea, también llamada solución, tiene composición y propiedades constantes. Algunos ejemplos son: el aire, el agua salada, algunas aleaciones (mezclas homogéneas de metales en estado sólido), etc. M ezclas Elementos Compuestos H ierro Agua Heterogéneas Sangre Mezclas heterogéneas.- Una mezcla heterogénea no tiene composición ni propiedades constantes. Por ejemplo: el aire con neblina, una mezcla de hierro con azufre, una sopa de verduras, etc.; en estas se puede distinguir un componente del otro. Homogéneas Plasma Separación de Mezclas. Las muestras de elementos y compuestos rara vez se encuentran en la naturaleza en forma pura, por lo que es necesario separarlos de las mezclas en las que se encuentran. Por otra parte, cuando se prepara un compuesto en el laboratorio, se requieren varios pasos para separarlo en forma pura de la mezcla de reacción en donde se formo. De la misma forma, en la industria, para obtener un producto puro se necesita separarlo de la mezcla donde se formó. a.- Sustancias puras.- Una sustancia es cualquier tipo de materia cuyas muestras tienen composición idéntica, y en condiciones iguales, propiedades idénticas. Una sustancia puede ser un compuesto o un elemento. Elementos: Son sustancias que no se pueden separarse en sustancias mas simples por medios químicos. Por ejemplo: nitrógeno, plata, aluminio, cobre, azufre, etc. A la fecha se han identificado definitivamente 109 elementos, de los cuales 83 se encuentran en forma natural en la tierra. Los demás han sido producidos de modo artificial por científicos mediante reacciones nucleares. 2 __________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________ Mezclas Mezclas Homogéneas Gas Mezclas Heterogéneas Ambas separables Por medios físicos Líquido Sustancias Puras Compuestos Elementos Separables por Medios químicos (reacciones) Sólido Figura 2.1. Métodos de separación de mezclas y sustancias puras. Fig. 2.2. Los diferentes cambios de fase que puede ocurrirle a una sustancia Símbolos.-Un elemento se representa por un símbolo químico constituido por 1, 2 o 3 letras donde la primera es siempre mayúscula, ejemplo: “O” oxígeno, “Ag” plata, “Unp” unnilpentium. Las mezclas pueden separarse por métodos físicos (ver Figura 2.1.), ya que cada componente conserva sus propiedades. A continuación, se describen algunos métodos (operaciones básicas) para separar las sustancias puras de las mezclas. Estas operaciones se basan en distintos fundamentos, como son: cambios de fase (ver Figura 2.2.), producto de solubilidad, coeficiente de reparto, coeficiente de partición, etc. Fórmulas.- Un compuesto se representa por una fórmula química que expresa la proporción mínima entre los elementos que constituyen el compuesto. Ejemplo: agua H 2O, sulfato de cobre CuSO4, cloruro de sodio NaCl. Átomos, moléculas e iones Átomo.- Es la unidad de sustancia química y es la porción más pequeña de materia que tiene todas las propiedades que identifican a un elemento químico y están constituidos por un núcleo donde se encuentran los neutrones y protones y 3 __________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________ reúne la carga positiva y la nube electrónica constituida por los electrones que son de carga negativa. El átomo en su conjunto es de carga neutra. Ejemplo H, Cl, Na. c) El estado gaseoso.- Está constituido por partículas pequeñas separadas por grandes distancias en constante movimiento aleatorio. El estado gaseoso se caracteriza por no tener forma y ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene. Se dice que en el estado gaseoso las fuerzas de repulsión entre las partículas son mucho mayores que las fuerzas de cohesión. Ejemplo El aire, el cloro, el oxígeno. Molécula.- Es la unidad estructural de las sustancias, representa como están unidos los átomos para formar las sustancias, ya sean elementos o compuestos. Ejemplo: H2, Cl2. d) Plasma.-Este estado de la materia es una mezcla gaseosa de iones positivos En términos estrictos sólo existen moléculas para los elementos o compuestos unidos covalentemente como Cl2, H2O, CH4, etc., más no para las formas iónicas como NaCl, KI, etc. y electrones. Existe a temperaturas elevadísimas en el cual todas las moléculas están disociadas y casi todos los átomos ionizados Este estado físico se obtiene como consecuencia de las reacciones termonucleares (de fusión nuclear). Un plasma actúa como un disolvente universal, disuelve todo lo que toca. Se han efectuado ensayos de contención de plasmas de bajas temperaturas mediante campos magnéticos externos Iones.- Son átomos que han perdido o ganado electrones y que por lo tanto tienen carga positiva o negativa respectivamente, ejemplo: + + Formación del ión Na Na à Na + 1e Formación del ión Cl Cl + 1 e à Cl + 2+ 3+ Si tienen carga positiva se llaman cationes: K , Ca , Al 23Si tienen carga negativa se llaman aniones Cl , S , N Grupos de átomos también pueden formar iones: + Cationes poliatómicos: ión amonio NH4 . 22Aniones poliatómicos: ión sulfato SO4 , carbonato, CO 3 1.6. Aplicación.- La licuefacción del aire El aire es una mezcla homogénea compuesta por nitrógeno en un 78%, oxígeno en un 21 % y otros gases como argón, dióxido de carbono, neón, helio, etc. en un 1%, distribuido aproximadamente hasta una altura de 70 km en la atmósfera, el aire es una fuente natural de nitrógeno y es precisamente del aire de donde se saca la mayoría de compuestos del nitrógeno, así por ejemplo la urea (NH2)2CO se obtiene casi completamente del aire, primero se comprime el aire hasta licuarlo, la mezcla líquida se destila para separar los componentes, específicamente N2 y CO 2., el nitrógeno se hace reaccionar con hidrógeno para formar el amoniaco. N2(g) + 3H2(g) à 2NH3(g) Luego el amoniaco se hace reaccionar con dióxido de carbono acelerando la reacción con un catalizador de platino, produciéndose la urea. 2NH3(g) + CO2(g) à (NH2) 2CO(s) + H2O (g) 1.5. Estados de la materia La materia presenta propiedades físicas como su forma, color, densidad, estado físico y propiedades químicas como su forma de reaccionar y su composición. Estados físicos de la materia La materia puede presentarse en los siguientes estados. a) Estado sólido.- Está constituido por partículas atrapadas en ordenamientos 1.7. Ejercicios reticulares, son cuerpos compactos debido a que las fuerzas de cohesión son mayores que la fuerza de repulsión, se caracterizan por tener forma y volumen definidos, ejemplo: la sal común, el yeso, un cristal de cuarzo, etc. 1. b) Estado líquido.- El líquido es fluido, adopta la forma de su recipiente y no tiene una forma propia definida. Es un estado intermedio entre el sólido y el gaseoso, se caracteriza por tener volumen definido pero no tiene forma, las partículas que lo constituyen aun tienen movimiento. Ejemplo: el agua Indique verdadero (V) o falso (F) de las siguientes proposiciones: I. La Química implica el estudio de la materia y los cambios que en ella ocurren II. La Química también proporciona antecedentes históricos para atender las propiedades del Átomo III. La Química trata solamente del estudio de las propiedades físicas A) VVV 4 B) VFF C) VFV D) FVV E) FFF __________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________ 2. ¿Cuál de los siguientes rubros del conocimiento humano no tiene relación en la química? A) Biología B) Astronomía C) Medicina D) Teología E) Geología 3. No es campo de acción de la química A) preservación de alimentos B) síntesis de fertilizantes C) construcción de edificios D) obtención de biodiesel E) bioquímica 4. 8. A) FFF B) Sólo II C) I y II B) FVF C) VFV D) VVV E) FVV TEMA 2 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTÓMOS Respecto a las siguientes alternativas I. Agua de Azar II. Hiloseco III. Aire IV. Energía nuclear ¿Cuáles son ejemplos de materia? A) Sólo I Señale verdadero (v) o falso (F) I. Cuando una mezcla de azufre y limaduras de hierro se quema en tubo se obtiene una mezcla homogénea II. El ozono (O 3) y el azufre ( S8) son sustancias simples III. El aire es una mezcla de gases que consisten una fase 2.1. Modelos atómicos D) I, II, III Las primeras ideas acerca de la existencia del átomo se dieron a conocer hace aproximadamente 600 años antes de Cristo, por los filósofos de aquellos tiempos especialmente los griegos, Demócrito indicaba que la materia era una concentración de partículas a quienes denominó ÁTOMOS y que en griego significa A = sin, TOMO = división. Demócrito además manifestaba que estos átomos estaban en movimiento constante, que se combinan de maneras diferentes y se diferenciaban entre sí en forma y disposición. E) Todas 5. De las siguientes especies, ¿Cuál es la mas pequeña porción de materia? A) Sal de mesa B) Hielo seco CO2(S) C) Molécula de agua D) Átomo de hidrogeno E) Gota de agua 6. Respecto a los estados de agregación de la materia, indique verdadero (V) o falso (F) de las siguientes proposiciones I. La materia en el estado gaseoso no tiene volumen, ni forma fijas, mas bien, se ajusta al volumen y forma el recipiente que lo contiene II. El agua, la gasolina y el alcohol, a condiciones ambientales, ocupa un volumen fijo pero adopta la forma del recipiente que lo contiene III. Los cambios de estado son fenómenos físicos 2.1.1. Teoría atómica de Dalton (1808) A) VVV 1. La materia está constituida por partículas elementales denominadas átomos B) VFV C) VVF D) FFV Fue quien atribuyó un peso atómico a cada elemento y fue posible por primera vez ordenarlos, de esta manera se comprobó que existían relaciones cuantitativas entre los elementos. Dalton planteó ciertos postulados respecto a la materia, en la actualidad algunos de ellos han perdido validez: E) FVV y se caracterizan por ser indestructibles, indivisibles e impenetrables. 7. Señale como verdadero (v) o falso (F) I. En el estado sólido las partículas componentes vibran u oscilan en posiciones fijas II. En el estado líquido las partículas componentes presentan aglomeraci n que las partículas componentes en el estado gaseoso III. El cambio de estado sólido o liquido se denomina licuación A) VVF D) VFV B) VVV E) FFF 2. Los átomos que componen un determinado elemento se caracterizan por tener el mismo peso pero difieren en el peso de los átomos de otros elementos. 3. Los diversos compuestos químicos están formados por átomos combinados en proporciones definidas, estos se sencillos. C) VFF 5 combinan en múltiplos aritméticos __________________________________________________________________QUÍMICA__________________________________________________________________ Carga total positiva = Carga total negativa 4. Por más violenta que sea una reacción química u otro tipo de fuerza, el átomo permanece indestructible, indivisible e impenetrable. Carga distribuida homogeneamente 2.1.2. Modelo de Thompson (1 897) Electrón incrustado en todas partes del átomo Por el año de 1 833 Faraday iniciaba los descubrimientos acerca de la electricidad, en 1 874 G.J Stoney sugirió que el fenómeno de la electricidad se debía a una partícula denominada ELECTRÓN, y en 1897 se pudo verificar experimentalmente la existencia del electrón por el estudio de los rayos catódicos. Cuando en un tubo al que se le ha efectuado el vacío provisto de dos electrodos se aplica una diferencia de potencial se observa un haz luminoso entre los dos electrodos denominados rayos catódicos. • En primer lugar se determinó que estos rayos salen del cátodo (de ahí su nombre) y se propagan en línea recta hacia el ánodo • En segundo lugar se llegó a la conclusión de que los rayos catódicos están formados por partículas con masa porque son desviados por un campo magnético. • 2.1.3. Modelo de Rutherford (1910) Para ese tiempo ya se conocía la radiactividad descubierta por Henry Becquerel al estudiar el uranio. Se determinaron tres tipos de radiaciones: alfa, beta y gamma, los rayos alfa son partículas cargadas positivamente, las beta tienen carga eléctrica negativa y los rayos gamma son energía radiante o luz. Rutherford realizó un experimento bombardeando una lámina de oro con partículas alfa y observó que unas pocas partículas alfa rebotaban en la lámina, llegó a la conclusión de que era una fuerza eléctrica poderosa y ubicada en un pequeño volumen desviaba a las partículas alfa. Si colocamos un campo eléctrico alrededor del tubo de vació, se demuestra que los rayos catódicos tiene carga eléctrica negativa. Así Thompson descubrió el ELECTRÓN, y demostró que es un fragmento universal que se encuentra en todos los átomos; además se calculó la relación carga-masa (q/m) del electrón: Esta deducción le permite a Rutherford descubrir el núcleo y da a conocer una imagen distinta del átomo, donde se indica que: q C = 1,76 × 108 m g Más adelante Robert Millikan encontró que la carga del electrón es de q = - 1,6 × 10 –19 C • El átomo es increíblemente tenue. • Es un espacio casi vacío en su totalidad. • Posee un núcleo central muy pequeño, y este es muy pesado y denso. • El núcleo es de carga positiva donde se origina la fuerza que desvía las partículas alfa. • El átomo posee una envoltura de electrones que se encuentran rotando alrededor del núcleo en órbitas semejante a la de un sistema planetario. Con las dos ecuaciones anteriores podemos determinar que la masa es: m = 9,1 × 10 –28 g 2.1.4. Modelo de Niels Bohr (1 913) En conclusión Thompson propuso su modelo atómico de esta manera: La obra de Rutherford pasó inadvertida en sus tiempos,...
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  • Winter '17
  • juan
  • Electron, Mecánica cuántica, Elemento químico, Reacción química, Radiactividad, Rayos gamma

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