INTRODUCCIN A LA QUMICA

EL MTODO CIENTFICO Y LA QUMICA

Observe algn evento que se repite en la naturaleza. Formule preguntas al respecto. Formule una hiptesis que explique lo que sucede. Realice experimentos que ayuden a comprobar su hiptesis. Formule conclusiones que avalen o descarten su hiptesis Escriba un informe.

3 e

Fe O2

La Qumica nos hace pensar microscpicamente, para explicarnos lo que vemos: el mundo macroscpico.

QUMICA Es la ciencia que se preocupa del estudio de la materia y

de los cambios que experimenta.

MATERIA

Todo lo que ocupa espacio y posee masa e inercia (definicin clsica).

COMPOSICIN

Se refiere a las partes o componentes de una muestra de materia y a sus proporciones relativas.

PROPIEDADES

Cualidades y atributos propios de cada muestra de materia. Las hay fsicas y qumicas.

Propiedad Fsica: Una propiedad fsica se puede medir y observar sin que cambie la composicin o identidad de la sustancia (como son el color, punto de ebullicin, punto de fusin, etc.)

Propiedad Qumica:

Es la capacidad o incapacidad de una muestra de materia para experimentar cambio en su composicin bajo ciertas condiciones.

Para observar una propiedad qumica, se debe efectuar un cambio qumico (como la combustin o la digestin de alimentos en que cambia la composicin de la materia).

Transformacin Qumica:

Cambio en la composicin de la muestra de materia. Se crean o rompen enlaces qumicos.

Por ejemplo, al quemar Hidrgeno en presencia de Oxgeno, se rompen los enlaces H-H y O-O para formar los enlaces H-O-H.

H21

2O2 H2O

Transformacin Fsica: Cambio de la propiedad fsica, que no altera su composicin. Por ejemplo, la fusin del H2O (reversible). Qumicamente no hay cambios fundamentales*; la sustancia tratada no pierde su identidad. Pasa de estado slido a lquido, pero sigue siendo agua.

Propiedad Extensiva: Depende de la cantidad de materia considerada. Es una propiedad aditiva. Propiedad Intensiva: No depende de la cantidad de materia considerada.

Propiedades cantidad de materia

25C 25C

MATERIA

MEZCLA Combinacin de dos o ms sustancias, en que ellas conservan sus prop. (aire, leche, bebidas)

Compuesto Vienen de la unin qumica de dos o ms elementos en proporciones definidas; los puedo separar solo al descomponerlos qumicamente (agua).

SUSTANCIA Materia de composicin cte. y propiedades distintivas (agua, oro, oxgeno)

M. Heterognea Composicin y propiedades de la mezcla no son uniformes (arena + agua)

M. Homognea Composicin y propiedades de la mezcla son uniformes (Disoluciones como Salmuera o aire)

Elemento Sust. que qumicamente no la puedo separar en otras ms simples. Hay 115 elementos (tabla peridica).

SUSTANCIA MEZCLA

MATERIA

Puede separarse por un proceso fsico?

No S

Puede descomponerse por un proceso qumico?

COMPUESTO ELEMENTO

S No

Es totalmente uniforme?

HOMOGENEA HETEROGENEA

S No

ESQUEMA DE CLASIFICACIN DE LA MATERIA

Cmo separamos las mezclas?

MEDICIONES Propiedades macroscpicas: masa, longitud, volumen, etc. Se miden directamente usando la balanza, el metro y material volumtrico (bureta, pipeta, probeta, matraz) respectivamente. Propiedades microscpicas: conectividad molecular, configuracin atmica, absorcin y emisin de radiacin por un tomo o ncleo atmico, etc. Se miden indirectamente.

UNIDADES

Unidades SI:

Longitud metro, m

Masa kilogramo, kg

Tiempo segundo, s

Temperatura kelvin, K

Cantidad mol, 6,0221023 mol-1

Unidades derivadas SI:

Fuerza newton, kg m s-2

Presin pascal, N m-2

Energa julio, kg m2 s-2

Otras unidades comunes:

Longitud ngstrom, , 10-8 cm

Volumen litro, L, 10-3 m3

Energa calora, cal, 4,184 J

Presin 1 atm = 1,064 x 102 kPa

1 atm = 760 mm Hg

Toda cantidad debe ser expresada con su respectiva unidad.

MASA: Es una medida de la cantidad de materia de un objeto. La unidad SI de masa es el kilogramo, [kg]. En qumica usamos ms frecuentemente el gramo, [g], o el miligramo, [mg].

No confundir con el concepto de peso. El peso es una medida de la fuerza que ejerce la gravedad sobre el cuerpo.

VOLUMEN: El volumen de un cuerpo representa la cantidad de espacio que ocupa la materia de un cuerpo La unidad SI derivada del metro es el metro cbico, [m3]. Pero, nuevamente, en qumica trabajamos con unidades menores, derivadas de l: 1 cm3 = (1 x 10-2 m)3 = 1 x 10-6 m3

1 dm3 = (1 x 10-1 m)3 = 1 x 10-3 m3

Adems se utiliza el Litro, [L]. 1 L = 1000 mL = 1000 cm3 = 1 dm3

DENSIDAD:

Se refiere a la relacin que existe entre la masa y el volumen de una substancia. Es una propiedad intensiva, la [d] de una sustancia es cte., no depende de la cantidad de masa involucrada, sino de la relacin:

d = m/V [kg/m3] , [g/cm3], [g/mL], [g/L],

La masa y el volumen son magnitudes extensivas.

La densidad es una magnitud intensiva.

TEMPERATURA Las tres principales escalas de temperatura: K : grados Kelvin C : grados Celsius F : grados Fahrenheit El intervalo comprendido entre los puntos de fusin y ebullicin del agua pura se divide en 100 partes iguales en la escala centgrada de temperatura y en 180 en la escala Fahrenheit. Cada parte representa un grado (C o F).

Escalas relativas

Escala absoluta

TEMPERATURA

PREFIJOS UTILIZADOS CON UNIDADES SI

Prefijo Smbolo Significado

Tera T 1.000.000.000.000 1012

Giga G 1.000.000.000 109

Mega M 1.000.000 106

Kilo k 1.000 103

Deci d 1/10 10-1

centi c 1/100 10-2

mili m 1/1.000 10-3

micro 1/1.000.000 10-6

nano n 1/1.000.000.000 10-9

pico p 1/1.000.000.000.000 10-12

Ej.: un nanmetro, 1nm, es 1 x 10-9 [m]

MANEJO DE LOS NMEROS El valor numrico de toda medicin no es ms que una aproximacin (depende del instrumento utilizado). Al entregar el valor de una medida experimental, debemos redondear los datos de tal manera que contengan slo los dgitos conocidos con certeza, ms el primer dgito dudoso.

NOTACIN CIENTFICA En 1 g de hidrgeno hay: 602 200 000 000 000 000 000 000 tomos aproximadamente y pesan 0.000000000000000000000001 g aprox. cada uno. Es bastante engorroso trabajar con estos nmeros, nos podemos equivocar fcilmente. Es ms fcil trabajar con cifras como

6,02 1023 1,0 10-24

En general la notacin cientfica es de la forma

N x 10n en que N es un nmero entre 1 y 10 y n es un exponente (nmero entero, negativo o positivo) Ej.: 568.762 = 5,68762 102 ; 0,00000772 = 7,72 10-6

Los ceros son importantes: 28 g 0,028 kg, en ambos casos tenemos 2 cifras significativas y en el segundo caso, los cero a la izquierda slo indican el lugar de la coma. 0,0280 g y 0,280 g tienen 3 cifras significativas. 1,028 g tiene cuatro cifras significativas. 1,0280 g tiene cinco c.s. En el ltimo caso tenemos ms certeza que en el anterior. Los ceros a la derecha son significativos.

CIFRAS SIGNIFICATIVAS

CIFRAS SIGNIFICATIVAS

Suma y resta. El resultado debe expresarse con el mismo nmero de cifras decimales que la magnitud con menos cifras decimales.

1,14 0,6 11,676 13,416 13,4

Multiplicacin y divisin. Menor cantidad de cifras significativas.

0,01208 0,236 = 0,512

= 5,12 10-3

Redondeo.

Se aumenta el tercer dgito, si el cuarto dgito es 5

Presente 3 cifras significativas.

10,235 12,4590 19,75 15,651

.

10,2 12,5 19,8 15,7

NOTA: Los nmeros exactos (por definicin o conteo) se consideran como formados por infinito nmero de Cifras Significativas. Por ejemplo, un objeto tiene una masa de 0,2786 g; entonces ocho de ellos tendrn una masa: 0,2786 x 8 = 2,229 ya que el ocho se debe entender como 8,000000....

Ejemplo: multiplique

14,79 cm x 12,11 cm x 5,05 cm

La cantidad conocida con menor precisin es 5,05, luego el resultado no debe ser ms preciso que l. Veamos, pensemos en 5,050,1 y su efecto en la multiplicacin...

14,79 x 12,11 x 5,04 = 902,698776

14,79 x 12,11 x 5,05 = 904,489845

14,79 x 12,11 x 5,06 = 906,280914

Slo son idnticos los dos primeros dgitos (90...). No hay certeza a partir del tercer dgito... El resultado ser expresado como 904 cm3

En una multiplicacin o divisin, el resultado debe tener tantas cifras significativas como las que tenga la cantidad menos precisa

TOMOS, IONES y MOLCULAS

La materia ser continua

o discontinua?

Demcrito

By convention there is color, by convention sweetness, by convention bitterness, but in reality there are atoms and space

Democritus 460 371 a.c.

Teora atomista. Demcrito

Toda la materia est constituida por partculas indivisibles pertenecientes a un nmero finito de clases diferentes: tomos

tomos = indivisibles, eternos, indestructibles, caractersticos de cada materia.

Aceptada por varios siglos, rechazada por Aristteles y Platn.

Aristteles Platn

La materia est constituida por aire, tierra, agua, fuego (slo vara la proporcin)...

(1766-1844), Qumico, matemtico, filsofo ingls, trabaj y dedujo varias leyes sobre los gases y formul una teora atmica.

3- Una reaccin qumica incluye slo la separacin, combinacin o reordenamiento de los tomos; nunca se crean o destruyen.

HIPTESIS DE DALTON

1- Los elementos estn compuestos por partculas en extremo pequeas llamadas tomos. Todos los tomos de un mismo elemento son idnticos, son de igual tamao, masa y propiedades qumicas. Los tomos de un elemento son diferentes de los tomos de todos los dems elementos.

2- Los compuestos estn formados por tomos de ms de un elemento. En cualquier compuesto, la relacin del nmero de tomos entre dos de los elementos presentes siempre es un nmero entero o una fraccin sencilla.

Joseph Jonh Thomson (1846-1940). Fsico britnico, recibe el premio Nobel en 1906 por descubrir el e.

Los e tienen carga negativa: Son repelidas por el polo negativo del imn, pero son atrados por el polo positivo.

Leer sobre Thomson, Rutherford y Bohr.

Rutherford (1871-1937) Fsico neozelands, recibe el Nobel de Qumica en 1908, por sus investigaciones sobre el ncleo atmico, propuso un modelo de tomo donde el ncleo concentra casi toda la masa y los electrones estn ocupando el entorno.

Bohr luego concluy que solo un cierto nmero de electrones pueden ser encontrados en cada nivel de energa.

e +-

EL TOMO

+Si observamos slo a los protones del ncleo en los tomos de:

Hidrgeno Helio Litio Berilio (1 protn) (2 protones) (3 protones) (4 protones)

Fluor (9 protones) Adems, hay tantos PROTONES como ELECTRONES y as la materia es neutra elctricamente.

Los elemento se distinguen, unos de otros, por el nmero de protones (nmero atmico).

Helio

Partcula Masa [g] carga unitaria

Electrn 9,1095 10-28 -1

Protn 1,67252 10-24 +1

Neutrn 1,67495 10-24 0

n

p

Leer sobre partculas elementales y Bosn de

Higgs

Entonces :

e

e

He

x A Z

Z: nmero atmico. Nmero de protones en el ncleo. Caracterstico para de cada elemento. A: Nmero de masa. Es la suma entre el nmero de protones (Z) y el nmero de neutrones.

Nmero de masa = nmero de protones + nmero de neutrones

Z A n

F

Por ejemplo, para el fluor, Cul ser el nmero de neutrones n si Z=9, A=19

19

9

Ya que: A = Z + (n neutrones) (n neutrones) = A Z nmero de neutrones es 10

Para el uranio, se conocen los istopos: El tener igual Z los hace corresponder al mismo elemento: uranio.

U 235

92 U

238

92

QUE ES UN ISTOPO?

H D T hidrgeno deuterio tritio

e e e

ISTOPOS DEL HIDRGENO

Igual nmero de protones (NMERO ATMICO) Distinto nmero de neutrones (Distinto NMERO MSICO).

1H1

H12

1H3

Ejemplo: Indique el nmero de p, e y n de las sgtes. especies:

8O17

80Hg199

80Hg200

Z: e: n:

Z: e: n:

Z: e: n:

80Hg200

+ ?

Z: 80 e: 79 n: 120

Los signos + - acusan la prdida o ganancia de un e

O si el nmero de protones y electrones es igual, entonces hay neutralidad elctrica

MASA ATMICA

La masa de un tomo debera ser de la suma de protones, neutrones y electrones, pero debido a que experimentalmente no se puede determinar la masa de un tomo, esta se determina en relacin a la masa de otro. Es decir, se asigna un valor a la masa de un tomo, de un elemento determinado, para utilizarlo como referencia.

Por acuerdo internacional, la MASA ATMICA (o peso atmico) es la masa de un tomo, en unidades de masa atmica, uma. Una uma es una masa exactamente igual a un doceavo de la masa de un tomo de carbono-12. (12C).

El 12C ser la referencia para medir la masa de otros tomos.

La uma tambin se denomina DALTON

MASA ATMICA PROMEDIO Es la masa promedio de la mezcla natural de los istopos del elemento. Por ejemplo, en el caso del Carbono: La abundancia natural del 12C es 98,90% y pesa 12,000 uma y la de su istopo 13C es de 1,10% y pesa 13,00335 uma, (0,9890) x (12,00000 uma) + (0,0110) x (13,00335 uma) = la masa atmica promedio del carbono es 12,01 uma Este es un valor promedio, en la naturaleza no hay carbono que pese 12,01 uma. Lgicamente este valor se acerca ms al 12 que al 13, pues es un promedio ponderado.

MOL Cuando se tiene un nmero grande de objetos es necesario tener una unidad que permita describirla, es as que: Un par: se refiere a dos cosas. Por ejemplo, un par de zapatos, un par de camisas, etc. Una docena: se refiere a 12 cosas. Por ejemplo, una docena de huevos, una docena de manzanas, dos docenas de cohetes, etc. Entonces Un mol: se refiere a 6,0220451023 tomos o molculas. Por ejemplo, un mol de tomos de hidrgeno. En la prctica es ms fcil hablar de 1 mol de tomos de hidrgeno, que de 602.204.500.000.000.000.000.000 tomos de hidrgeno.

Experimentalmente se acepta que el nmero de tomos en 12 g de 12C es: 6.022045 1023 tomos (es suficiente con 6,022 1023). Este es conocido como el NMERO DE AVOGADRO

Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quarengua e di Cerreto (1776-1856). Fsico y matemtico italiano.

MASA MOLAR Se ha visto que 1 mol de tomos de 12C tiene exactamente una masa de 12 g y contiene 6,022 1023 tomos. Esta masa del 12C es su masa molar, que se define como la masa de un mol de unidades de la sustancia.

MOLCULA Es un agregado de, por lo menos, dos tomos en un arreglo definido que se mantienen unido por medio de fuerzas qumicas (enlaces qumicos). Una molcula podr tener tomos de un mismo elemento o de dos o ms elementos, siempre en una relacin fija (ver 2 ley de Dalton). Al igual que los tomos, las molculas son elctricamente neutras.

Una molcula no siempre es un compuesto, ya que los compuestos estn formados por dos o ms elementos. El hidrgeno gaseoso es un elemento puro, pero consiste de molculas formadas por dos tomos de H unidos. El agua es un compuesto molecular que contiene H y O en una relacin de dos H por un O.

La composicin de las molculas y los compuestos se expresan a travs de Frmulas Qumicas, por medio de los smbolos qumicos. Composicin se refiere tanto a los elementos presentes como a la proporcin en que se combinan estos tomos. Existen frmulas moleculares y frmulas empricas.

Una Frmula Molecular indica la cantidad exacta de tomos de cada elemento que est presente en la unidad ms pequea de una sustancia. H2 es la frmula molecular del hidrgeno; O2, del oxgeno; O3, del ozono; H2O, del agua. El subndice, indica el nmeros de tomos presente; el 1 se omite.

La Frmula Emprica, nos indicar cuales elementos estn presentes y la relacin mnima, en nmeros enteros, entre sus tomos. Pero no indica necesariamente el nmero real de tomos en una molcula determinada.

Por ejemplo, la frmula molecular del perxido de hidrgeno, o agua oxigenada (antisptico, blanqueador, decolorante del cabello), es H2O2. Podemos ver que la relacin entre tomos de H y O es 2:2 1:1. Esto lo podemos expresar como HO (simplifiqu los subndices a los nmeros enteros ms pequeos).

La hidrazina, un combustible de cohetes, tiene la frmula molecular N2H4, pero su frmula emprica es NH2. Aunque las frmulas molecular y emprica nos dan la relacin 1:2 entre N e H, slo la frmula molecular nos da el nmero real de tomos de N (dos) y de H (cuatro) que hay en una molcula de hidrazina.

Para muchos compuestos, la frmula molecular y emprica es la misma: agua, H2O; Metano, CH4; amoniaco, NH3; dixido de carbono, CO2.

Ejemplo, Escriba la frmula emprica de: Acetileno, C2H4 Glucosa, C6H12O6 xido nitroso, N2O

....CH2 ....CH2O, C2H4O2 ....idem

Ejemplo La cafena, C8H10N4O2, estimulante que se encuentra en el caf y el t. frmula emprica?

C4H5N2O

MASA MOLECULAR (O PESO MOLECULAR) Es la suma de las masas atmicas (en uma) en una molcula. Es posible calcularla si conozco la masa atmica de los tomos que la forman. Veamos, el agua, H2O, 2 x(masa atmica del H) + masa atmica del O 2 x (1,008 uma) + 16,00 uma = 18,02 uma

La masa molar de un compuesto (en g) es numricamente igual a su masa molecular (en uma). Veamos, la masa molecular del agua es 18,02 uma, entonces su masa molar es 18,02 g.

NOTA: 1 mol de agua pesa 18,02 g y contiene 6,022 1023 molculas de agua, al igual que un mol de carbono contiene 6,022 1023 tomos de carbono.

Iones Un ion es una especie cargada formada a partir de tomos o molculas neutras que han perdido o ganado electrones como resultado de un cambio qumico. El nmero de protones (carga positiva) permanece igual durante los cambios qumicos (reaccin qumica).

Si una especie neutra, como un tomo, pierde un e, forma un catin, un ion con carga positiva. Por ejemplo: Sodio,

11Na 11Na+ + e

Un anin es un ion con carga negativa, es decir gan un e. Por ejemplo: Cloro,

17Cl + e 17Cl-

Na+, Mg2+, Fe3+, Ag+, Cu2+, Al3+, S2-, N3-, Cl- son iones monoatmicos (tomos que han ganado o perdido electrones).

Un ion poliatmico es un ion que contiene ms de un tomo. OH- (ion hidrxido), CN- (ion cianuro), NH4

+ (ion amonio).

masa molar de un compuesto inico?

Es la que corresponde a un mol de su frmula emprica.