QUIMICA.pdf - QUIMICA UN NUEVO ENFOQUE PREUNIVERSITARIO...

This preview shows page 1 out of 636 pages.

Unformatted text preview: QUIMICA UN NUEVO ENFOQUE PREUNIVERSITARIO AUTORES: Dr. Miguel Eduardo Hurtado Gastañadui COORDINADOR DE QUÍMICA – CEPUNT Ing. Anibal Benjamin Cortez Gonzales PROFESOR DEL ÁREA DE QUÍMICA – CEPUNT Ing. Emer Dimer de la Cruz Delgado PROFESOR DEL ÁREA DE QUÍMICA - CEPUNT Mg. César Rolando Poémape López PROFESOR DEL ÁREA DE QUÍMICA – CEPUNT Centro de Estudios Preuniversitarios de la Universidad Nacional de Trujillo COMITÉ DIRECTIVO Dra. Edith Loreley Vasquez Correa Directora Elmer González López Subdirector Académico Trujillo - 2018 INDICE PRIMER SUMATIVO CEPUNT Semana 01 : Conceptos Generales de la Química Introducción a la Quimica 01 Materia y energía 09 La Energía 31 Calor sensible 36 Unidades de medición 39 Factores de conversión o factores Unitarios 44 Conceptos 45 Fisicos Evaluación Semana 02 54 : Teoría y Modelos Atómicos Principales Teorías Atómicas 60 Ondas Electromagneticas 68 Teoría Cuántica de Max Planck 71 Espectros 77 Atómicos Modelo Atómico Actual 84 Química Nuclear 94 Energía Nuclear 99 Evaluación 103 Modelo Mecánico – Ondulatorio del Átomo Semana 03 : Ondas Electromagneticas 108 Postulados de Niels Bohr 113 Modelo Mecánico Ondulatorio 115 Números Cuánticos 118 Configuración Electrónica 125 Excepciones o anomalías en la Configuración 131 Configuración Electrónica de Iones 133 Evaluación 135 Semana 04 : Tabla Periódica y Propiedades Atómicas La Tabla Periódica de los Elementos Químicos 140 Características de la tabla Periódica 144 Grupos notables en la tabla Periódica 146 Propiedades Periódicas en la Tabla 148 Evaluación 155 Semana 05 : Teoría del enlace Químico Historia del Enlace Químico 159 Enlace Químico 163 Tipos de Enlace Químico 165 Geometría Molecular 172 Hibridación 176 Polaridad de una molécula 186 Resonancia 196 Enlaces Intermoleculares 198 Evaluación 202 SEGUNDO SUMATIVO CEPUNT Semana 06 : Nomenclatura Química y Formación de compuestos inorgánicos Valencia y Estado de oxidación 209 Funciones Químicas Inorgánicas 215 Sistemas de nomenclatura 217 Compuestos Binarios de Hidrogeno 219 Funciones Binarias del Oxigeno 223 Compuestos Ternarios y Superiores 228 Sales Inorgánicas 239 Semana 07 : Reacciones y Ecuaciones Químicas Reacción Química 255 Clasificación de las Reacciones Químicas 257 Reacciones Redox 265 Balance de Ecuaciones Químicas 269 Balance de Ecuaciones Redox 272 Evaluación 279 Semana 08 : Estequiometria Unidades Químicas de masa 285 Cálculos en sustancias Puras 294 Formulas Empíricas y Moleculares 297 Leyes Ponderales y Volumétricas 304 Cálculos en Reacciones 310 Químicas Evaluación Semana 328 09 : Soluciones Componentes de una Solución 333 Propiedades de las Soluciones 335 Unidades de Concentración 339 Unidades Físicas de Concentración 339 Unidades Químicas de Concentración 343 Dilución de Soluciones 356 Mezcla de Soluciones 358 Evaluación 360 Semana 10 : Electroquímica Introducción a la electroquímica 363 Aplicaciones Electroquímicas 364 Celdas Electrolíticas 365 Leyes de la electrolisis 369 Celdas Galvánicas 371 Evaluación 378 TERCER Semana EXAMEN 11 : SUMATIVO Cinética y Equilibrio Químico Velocidad de una Reacción Química 383 Catalizador 385 Equilibrio Químico 387 Constante de Equilibrio 389 Principio 389 Le Chatelier Evaluacion Semana 12 391 : Teoría Acido - Base Definiciones de ácidos y bases 396 Fuerza Relativa de Ácidos y Bases 405 Equilibrio Iónico 410 Escala de pH 411 Neutralización Acido Base 412 Evaluación 415 Semana 13 : Química Orgánica Introducción a la Química Orgánica 417 Propiedades del Átomo de Carbono 421 Hibridación del Átomo de Carbono 429 Hidrocarburos 435 Alcanos 437 Obtención de Alcanos 446 Reacciones de Alcanos 449 Evaluación 450 Semana 14 : Hidrocarburos Insaturados Alquenos , Olefinas o etilenicos 459 Obtención de Alquenos 462 Reacciones de Alquenos 463 Alquinos - Alqueninos 467 Obtención de Alquinos 469 Reacciones de Alquinos 470 Compuestos Aromáticos 473 Benceno 476 Nomenclatura de los derivados del Benceno 485 Reacciones de Aromáticos 489 Evaluación de Alcanos 494 Evaluación de Alquenos 498 Evaluación de Alquinos 501 Evaluación de Aromáticos 505 Semana 15 : Compuestos Orgánicos Oxigenados Función Alcohol, Nomenclatura y Reacciones 509 Fenoles y Éteres , , Nomenclatura y Reacciones 523 Ácidos Carboxílicos, Nomenclatura 535 Reacciones de Ácidos Carboxílicos 548 Función Ester, Nomenclatura, propiedades, reacciones 552 Jabones y Detergentes 560 Evaluación de compuestos orgánicos oxigenados 564 Semana 16 : Compuestos Orgánicos Nitrogenados Función Amina, Propiedades, Nomenclatura y Reacciones Función Amida, Propiedades, Nomenclatura y Reacciones 582 594 Función Nitrilo, Propiedades, Nomenclatura y Reacciones 597 Evaluación de nitrogenados 601 APENDICE Claves a los ejercicios propuestos 617 PRIMER EXAMEN SUMATIVO CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE QUIMCA QUIMICA SEMANA 01 INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA OBJETIVOS Comprender la importancia de la química como una ciencia central que sirve de base a otras ciencias y que permite satisfacer las necesidades humanas. Comprender como se lleva acabo la investigación científica aplicando el método científico. Reconocer el objeto de estudio de la química y las diversas ramas en la cual se divide. CONTENIDOS 1. La Química. 2. Ramas. 3. El método científico. 4 Influencia en la civilización. 1 QUIMICA I.1 LA QUÍMICA Algo que quizás sea permanente en nuestro universo e inherente a la actividad humana es el CAMBIO. Cambios de la naturaleza cosmológica, geoquímica y bioquímica han fascinado a los seres humanos desde hace muchos años, y han motivado la observación de la naturaleza en forma más cuidadosa, con la esperanza de conocer mejor el medio que nos rodea. La necesidad de dar respuesta acerca de las transformaciones de la materia y los cambios que en ella ocurren condujo al hombre hacia la creación de una nueva Ciencia. La QUÍMICA es la ciencia que estudia la materia, sus propiedades físicas y químicas, los cambios y combinaciones que experimenta y las variaciones de energía que acompañan a dichas transformaciones. La química, entonces, se involucra en casi todos los aspectos de nuestras vidas, nuestra cultura y nuestro entorno; como parte integral de la actividad humana cuyo conocimiento es generado por la curiosidad de conocer nuestra semejanza y relación con el mundo natural, ya que el proceso de transformación que tiene lugar en el universo también ocurre dentro de nosotros. En ella se estudia el aire que respiramos, los alimentos que consumimos, los líquidos que tomamos, nuestra vestimenta, la vivienda, el transporte y los suministros de combustible. Algunos autores consideran a la química como la CIENCIA CENTRAL, ya que se apoya en los fundamentos matemáticos y físicos y a su vez es el fundamento de las ciencias biológicas que, intentando ser más precisas, actualmente están más orientadas a la química con la finalidad de explicar mejor la salud y la enfermedad. El hombre, al conocer los ritmos y modelos naturales diseñó estrategias con la finalidad de modificarlos, ya sea aligerándolos, haciéndolos más lentos o aún invirtiéndolos. El problema que actualmente afrontamos es haber considerado que los recursos naturales eran inagotables e infinitamente manejables y sólo recientemente hemos tomado conciencia de lo contrario y a pesar de ello nos resistimos a considerar como 2 QUIMICA alternativa los procesos de reciclado, por sus elevados costos y alto consumo de energía. I.2 RAMAS DE LA QUÍMICA La química en sus inicios, hace 500 años, se desarrolló como una ciencia experimental cuyo interés fundamental fue el descubrimiento de nuevas técnicas para el aprovechamiento de los recursos naturales. El ingenio y habilidad humana han permitido construir una teoría química que incluye la estructura conceptual mediante la cual interactuamos con el mundo material y, para comprenderlo mejor, ha dividido a la química en cinco amplias áreas. 1. FISICOQUÍMICA Estudia las leyes generales que rigen el comportamiento de toda la materia; por ejemplo, las fuerzas directrices que generan la formación de una sustancia a partir de otros materiales. 2. QUÍMICA ANALÍTICA Se dedica al estudio de las técnicas que se utilizan para conocer la composición de la materia, por ejemplo, el análisis de hipoclorito en un blanqueador comercial o la determinación del contenido de alcohol en una cerveza. El análisis puede ser cualitativo o cuantitativo. 3. QUÍMICA ORGÁNICA Está relacionada principalmente con el estudio de los compuestos que contienen al elemento carbono, con excepción de los carbonatos. Por ejemplo, preparación de la aspirina. Actualmente, nuevos materiales orgánicos poliméricos proporcionan una nueva dimensión en el desarrollo de sensores. 4. QUÍMICA INORGÁNICA Comprende el estudio de los elementos y compuestos que no son orgánicos, los minerales, por ejemplo. Actualmente al incluir unaserie de especializaciones entre las que se encuentran la química organometálica, la química del estado sólido y la química de los 3 QUIMICA metales de transición, ha contribuido al desarrollo de nuevos materiales de alta tecnología. 5. BIOQUÍMICA Estudia los procesos y las reacciones químicas que ocurren en los sistemas vivos, tales como la utilización de los alimentos que producen energía y la síntesis de los compuestos biológicos que están activos en los seres vivos. En los últimos años, como sucede con la mayor parte de las ciencias, la química se ha extendido de tal forma que se superpone con disciplinas cercanas, dando lugar a nuevas áreas de estudio interdisciplinario. La biología molecular, por ejemplo, está estrechamente relacionada con la Bioquímica y estudia la reproducción de macromoléculas (moléculas gigantes) en sistemas vivos. Por otro lado, la química teórica generaliza las leyes de los fenómenos químicos, usando los métodos más poderosos de las matemáticas para su solución rigurosa. Desde el punto de vista práctico y tecnológico está relacionada con la ingeniería química para la elaboración de un producto de interés económico, luego de haber sido investigado por la química a nivel de laboratorio. Al ser la química una ciencia, su conocimiento y desarrollo han sido logrado a través de la experimentación constituyendo ésta la base del método científico donde todos los conceptos requieren ser comprobados y verificados. Sin embargo, debemos indicar que no existe un método infalible que los científicos utilicen paso a paso. El trabajo que cada uno de ellos realice dependerá de su temperamento, formación y las circunstancias que motiven la investigación. En lo que a química se refiere, se intenta establecer algunos límites entre cada una de las etapas que incluyen el método científico. 4 QUIMICA ¿QUE ESTUDIA LA QUÍMICA? QUÍMICA es una CIENCIA EXACTA que se divide en RAMAS PRINCIPALES RAMAS MIXTAS como como FISICOQUÍMICA INORGÁNICA ORGÁNICA ANALÍTICA GENERAL BIOQUÍMICA ASTROQUÍMICA GEOQUÍMICA PETROQUÍMICA aplicada por CIENTÍFICOS O INVESTIGADORES INGENIEROS aplicada por QUÍMICOS ANALISTAS DOCENTES 5 QUIMICA I.3 EL MÉTODO CIENTÍFICO. El avance de la química, en muchos aspectos, es el reflejo de problemas prácticos que se presentan en el desarrollo técnico y cultural de la sociedad humana. Es así como la curiosidad innata del hombre y el deseo de comprender las cosas que lo rodean le han conducido hacia el conocimiento químico, cuya sistematización considera lo siguiente: Observación de los fenómenos naturales con recolección de muestras y datos bajo condiciones experimentales cuidadosamente planeadas y verificadas. Análisis y correlación de los hechos para plantear una Hipótesis, situación que se imagina y propone con el fin de explicar ciertos sucesos naturales que coinciden con la observación experimental. El desarrollo extenso de experimentos adicionales y bajo condiciones controladas, con la finalidad de confirmar o refutar el modelo propuesto, constituye la Etapa Experimental. Si los resultados obtenidos en la etapa experimental son congruentes con todos los hechos observados y la hipótesis resiste de manera continua cada prueba realizada, convierten al a hipótesis en una Teoría, que es la que explica los sucesos y proporciona las bases para explicar algunas leyes. Una Ley Científica es un enunciado exacto del comportamiento de la naturaleza sin excepciones, la que ha sido derivada de una experimentación extensa y que muchas veces se expresa en términos precisos utilizando las matemáticas. 6 QUIMICA PROBLEMA OBSERVACIÓN HIPÓTESIS NUEVA HIPÓTESIS EXPERIMENTACIÓN NO SE VERIFICA TEORÍA LEY I.4. INFLUENCIA DE LA QUÍMICA EN LA CIVILIZACIÓN Los problemas prácticos que se presentan a diario en el desarrollo técnico y cultural de la sociedad humana constituyen sólo algunos de los aspectos básicos para el avance de la química. Su naturaleza dinámica le permite asimilar información nueva de otros campos, abordar nuevos problemas o examinar problemas antiguos con nuevas perspectivas. Un aspecto que tiene gran importancia en nuestra vida es la síntesis y preparación de nuevos productos o la mejora de los ya existentes. Se han sintetizado fibras nuevas, medicinas, fertilizantes, pesticidas y materiales estructurales, muchos de los cuales no tienen uso comercial, pero tienen importancia para los químicos, porque les permiten contestar algunas interrogantes sobre la estructura de la materia, diseñar los medios adecuados para la síntesis de nuevos materiales o conocer los factores que rigen la rapidez y la extensión de los cambios. 7 QUIMICA Campos como la nutrición y ciencia de los alimentos son abordados por la química en varios niveles de sofisticación, incluyendo la cinética de deterioro de los alimentos, prediciendo pérdidas de vitaminas y oxidación de lípidos. Nos permite saber que los sistemas alimenticios son complejos y que muchas de las interacciones que tienen lugar en el interior de tales sistemas permanecen aún desconocidos. También nos enseña que las condiciones físicas, como la temperatura y presión, frecuentemente tienen efectos pronunciados sobre los sistemas alimenticios al modificar la velocidad de los cambios que en ella ocurren. La emulsificación y la formación de emulsiones en muchos sistemas alimenticios son ejemplos importantes que nos muestran no sólo la naturaleza coloidal de estos sistemas sino también su influencia en el diseño de nuevos productos alimenticios. Otro aspecto importante, que también es manejo de la química, está relacionado con el conocimiento de las propiedades y características de los materiales; es decir no sólo se preocupa por conocer la naturaleza y concentración de las sustancias, sino que establece la relación existente entre la composición y la estructura con sus propiedades. La identificación de sustancias en algunos compuestos activos, desde el punto de vista fisiológico, los resultados químicos de la utilización de un fármaco en el organismo, la cantidad de mercurio en un lago, la concentración de un contaminante en el aire o la cantidad de oro en una mina, son algunos ejemplos en los cuales ella interviene. Los avances de la química en la ciencia de los materiales han conducido a la aplicación de estructuras químicas en sistemas de conversión de energía solar, sondas biológicas y sensores. Los materiales electrónicos, primero el germanio y luego el silicio, desarrollados en la última década, han revolucionado el sistema de comunicaciones y la preocupación reside en el diseño de estructuras sintéticas capaces de mejorar los sistemas de comunicación actual. La atención de los últimos diez años se ha centrado en el desarrollo de los materiales sintéticos que pueden formar la base de los sensores para la determinación de compuestos orgánicos, desde moléculas pequeñas, como los aminoácidos, hasta macromoléculas, como las proteínas. 8 QUIMICA MATERIA Y ENERGIA Analizar la interacción materia-energía y definir las leyes de conservación. Identificar las formas en las que se presenta la materia y sus propiedades. Describir las propiedades físicas y químicas de la materia. Describir los cambios energéticos que ocurren en los fenómenos físicos y químicos. Entender la necesidad de realizar mediciones para cuantificar fenómenos físicos y químicos utilizando sistemas de unidades, especialmente el Sistema Internacional (S.I.) Ser capaz de convertir cualquier unidad de medida de un sistema a otro mediante el método factor de conversión. CONTENIDOS 1. Materia. 2. Clasificación. 3. Propiedades. 4. Estados Físicos. 5 Transformaciones en la materia. 6. La Energía. 7. Clases de energía. 8. Transferencia y medida de calor. 9. Leyes de Conservación. 10 Cálculos químicos. Sistema de Unidades y Notación Científica. MATERIA: Es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee masa, tiene existencia en el universo y es susceptible a nuestros sentidos. La idea general sobre materia, todo aquello que constituye el mundo físico. Así, el agua, la madera, el hierro, el vidrio, etc., son formas de materia. No debemos confundir materia con cuerpo, ya que éste es una porción limitada de materia, por ejemplo: Una silla de madera, un tubo de ensayo, una enciclopedia, un vaso con agua, etc. La materia es constantemente alterada, es decir, modificada por las fuerzas de la naturaleza. Por ejemplo: un terremoto puede destruir muchas 9 QUIMICA casas, la lluvia y el sol hacen crecer las plantas, el ser humano crece a cada instante. MATERIA es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. MASA es una medida de la cantidad de materia que hay en una muestra de cualquier material. Cuanto mayor masa tiene un objeto, más fuerza se requerirá para moverlo. Para medir la masa se compara la cantidad de materia del objeto que se desea medir con una masa estándar o patrón. En el laboratorio se utiliza la balanza para medir esta magnitud, colocando en ella el material que se desea medir y se equilibra con tantas unidades de masa estándar como se necesiten. EL PESO de un cuerpo se debe a su masa y se define como la fuerza de atracción entre la tierra y un cuerpo. La masa de los cuerpos es constante, el peso de los cuerpos no lo es. El peso de un cuerpo varía con la distancia que hay entre el y el centro de la tierra. La expresión que relaciona la masa y el peso es: W = m. g Donde: W: peso m: masa g : aceleración de la gravedad Según la ecuación (2.1) como “g” es constante, se deduce que en un mismo lugar dos cuerpos de igual masa tienen pesos iguales. Por esta razón en química la distinción entre masa y peso casi siempre es inadvertida y se usan indistintamente 10 QUIMICA CARACTERÍSTICAS DE LA MATERIA: Ocupa un lugar en el espacio Se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso Posee propiedades físicas comunes En su naturaleza se producen cambios físicos y cambios químicos que originan las mezclas y combinaciones. Tienen masa y volumen Existen independientemente a nuestra voluntad. FENOMENOS EN LA NATURALEZA Acontecimiento que provoca cambios en la estructura de la materia. 1. Fenómeno Físico: Cambia solo la estructura física (externa) de la materia. Ejm. Disolver azúcar en agua Hervir agua para que pase de líquido a vapor Cortar madera en trozos Conduccion del calor de un alambre Sublimacuion del yodo Unir tierra y agua para formar barro 2. Fenómeno Químico. Cambia de identidad química de la materia, convierte a una sustancia en otra. Ejm. - Quemar papel - Encostramiento de la sangre - Digestión de los alimentos - Cocer un huevo - Fotosíntesis de las plantas - Combustión de la materia - Electrólisis del agua - Putrefacción del pescado 11 QUIMICA 3. Fenómeno Nuclear. Cambia de identidad nuclear de la materia o sea cambia la naturaleza de los elementos que constituyen la materia inicial, con gran desprendimiento de energía. Ejm. a) Fisión nuclear: Lo que ocurre en la bomba atómica. 235 U 1 n 144 Ba 89 Kr 31 n Energía 92 0 56 36 0 b) Fusión nuclear. Lo que ocurre en las entrañas del sol. (el hidrógeno se convierte en Helio) 2 H 3 H 4 He 2 1 n Energía 1 1 2 0 Observaciòn: La energía liberada en la fusión nuclear es mucho mayor que la liberada en la fisión n...
View Full Document

  • Left Quote Icon

    Student Picture

  • Left Quote Icon

    Student Picture

  • Left Quote Icon

    Student Picture