Quimica de Luis Escobar

8/16/2019 Quimica de Luis Escobar

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FUNDAMENTOS DE QUIMICA GENERAL Estructura de la Materia

Ing. Luis Escobar C.

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CAPITULO 2

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

1.

GENERALIDADES:Todos los cuerpos que existen de la naturaleza están constituidos por materia.

La MATERIA, es el componente fundamental de la naturaleza íntima de los cuerpos, secaracteriza por poseer masa y ocupar un lugar en el espacio. CUERPO, es una porciónlimitada de materia que ocupa un lugar en el espacio.

La materia se clasifica en homogénea y heterogénea:

HOMOGENEA:La que presenta uniformidad en su composición, se considera materia homogénea las

sustancias y las soluciones, las sustancias pueden ser: elementos y compuestos.

HETEROGENEA:La que no presenta uniformidad en su composición por ejemplo: los alimentos, lasrocas, el suelo, la madera, etc. En fin todos estos materiales son mezcla de lassustancias.

A continuación se presenta una forma de clasificar a la materia:


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Presenta algunas propiedades, definiéndose como PROPIEDAD a la característica pormedio de la cual una sustancia puede ser identificada y descrita.

Pueden ser generales y específicas:

a)

GENERALES:Son las que presentan todas las sustancias y por lo tanto no nos sirve para distinguiruna sustancia de otra, son: volumen, peso, impenetrabilidad, inercia, etc.

b)

ESPECIFICAS:Son las que presenta una determinada sustancia, y nos permite distinguir una sustanciade otra y son: color, olor, sabor, densidad, dureza, etc.

Estas propiedades pueden ser físicas o químicas.

FISICAS:

Se pueden observar por medio de nuestros sentidos y se relacionan con los cambiosfísicos que sufre la materia, estas son: color, olor, sabor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad.

QUIMICAS:Son las que se relacionan con los cambios químicos que sufren las sustancias. Porejemplo la combustión del alcohol, de la gasolina; la oxidación del hierro, engeneral de todos los metales.

La materia puede existir en tres estados físicos: sólido, líquido, gaseoso.

Puede sufrir cambios o transformaciones de dos clases: físicos y químicos.

CAMBIOS FISICOS:Ocurren sin que se produzcan alteración en la composición química de la materia, sinoúnicamente de sus propiedades.

En estos cambios físicos no se forman nuevas sustancias y los que se encuentra al finaltiene la misma composición de la sustancia original. Estos procesos cesan cuandodesaparecen la causa que los produjo y son reversibles, es decir, puede verificarsefácilmente el proceso inverso.

Una sustancia puede cambiar de estado físico cuando se efectúan cambios de presión ytemperatura.

En el siguiente diagrama podemos observar los cambios físicos que sufre la materia:


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CAMBIOS QUIMICOS:Son los que alteran la composición química de la materia. Estos procesos permanecenaunque haya cesado la causa que los produjo, son irreversibles. En los cambios químicoslos nuevos productos son distintos a los de origen.

4 Fe(s) + 3 O2(g) 2 Fe2O3(s)C6H12O6(s) + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(g) + Energía

En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos de cambios físicos y químicos:

CAMBIO TIPOEbullición del agua

Congelación del aguaElectrólisis del agua

Reacción del cloro con sodio

Fusión del hierroOxidación del hierroCorte de madera

Combustión de la maderaMasticación de un alimento

Digestión del alimento

FísicoFísico

QuímicoQuímico

FísicoQuímicoFísico

QuímicoFísico

Químico

Otro componente importante de los cuerpos es la ENERGIA, que se define como lacapacidad para realizar un trabajo, o cambios en el estado o propiedades de la materia.

Materia y Energía son dos cosas con la misma esencia, comparte la propiedad de poseer

masa, según la teoría de Einstein. Están relacionadas por medio de la ecuación:2cmE

En donde: E = energíam = masac = Velocidad de la luz (300000 km/s)


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Esta ecuación permite establecer la ley que dice: “LA MATERIA Y LA E NERGIA NO SECREAN NI SE DESTRUYEN, SOLO SE TRANSFORMAN”.

En los siguientes ejemplos, podemos observar la relación entre materia y energía:

1)

Cuando 1000 gramos de Uranio 235 sufren fisión nuclear (bomba atómica), se liberauna energía equivalente a 8,23x1020 ergios. Calcular la masa de los productosmateriales de la reacción.

Utilizando la ecuación: 2cmE ; despejando la masa, tenemos:2c

Em

Reemplazando datos, tenemos:

210

2220

)s/cm10x3(

s/cmg10x23,8m

210

2220

)s/cm10x3(

s/cmg10x23,8m

g915,0m

Por lo tanto la masa de los productos de reacción sería: 1000 – 0,915 = 999,085 gramos,es decir aproximadamente el 0,1% se ha transformado en energía.

2)

Cuando estallan 1000 gramos de Trinitrato de Glicerina (Trinitroglicerina) se liberan8,0x1013 ergios. Cuál es la masa de los productos de reacción.

Aplicando la misma ecuación que en ejemplo anterior, tenemos:

2c.mE 2c

Em

210

2213

)s/cm10x3(

s/cmg10x0,8m

g10x89,0m 7

La masa de los productos sería: 1000 – 0,89x10 – 7 = 999,999999911 gramos, En estareacción química la masa de los productos difiere muy poco de la masa de losreactantes, esta diferencia es imposible medir experimentalmente, razón por la cual podemos decir que en las reacciones químicas ordinarias la materia se conserva.


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2. TEORIA ATOMICA DE DALTON:

John Dalton, alrededor de 1803, propuso sus teorías acerca de la naturaleza y elcomportamiento de la materia.

A continuación se anotan algunas conclusiones:

a)

Todas las sustancias se componen de pequeñas partículas sólidas e indestructibles,denominados ATOMOS.

b)

Los átomos de una misma sustancia son idénticos en cuanto a peso, tamaño, y forma.

c) El átomo es la parte más pequeña de un elemento que interviene en un fenómenoquímico.

d) Las moléculas de un compuesto están formadas por la unión de átomos de dos o máselementos.

e)

Los átomos de dos elementos se pueden combinar entre sí en distintas proporciones para formar más de un compuesto.

3. ESTRUCTURA ATOMICA:

La materia esta constituida por pequeñas partículas llamadas ATOMOS. Podemosconsiderar al átomo como una unidad más completa de la materia que tenemosconocimiento. Son las partículas más pequeñas que pueden tomar parte en lascombinaciones químicas. La unión de átomos individuales da lugar a la formación demoléculas.

El átomo de cualquier elemento químico esta formado por dos zonas importantes:

a) Zona central: NUCLEO b)

Zona externa: PERIFERIA o ENVOLTURA


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En el núcleo están los protones (p+) de carga positiva y los neutrones (n°) de carga neutra.

En la envoltura, se encuentran los electrones (e – ), cuya carga es negativa. En todo átomo, el NUMERO DE PROTONES ES IGUAL AL NUMERO DE ELECTRONES, por lo que seconsidera NEUTRO.

A los protones y a los neutrones por estar formando parte del núcleo atómico se lesdenomina, NUCLEONES.

El átomo tiene un tamaño de 1x10 – 8 cm y su peso es 1x10 – 24 g.

a) ELECTRON:

Descubierto en las investigaciones de los rayos catódicos producidos en tubos de descarga.

Los rayos catódicos constituyen un haz de partículas discretas cuya naturaleza fuedeterminada en 1897 por J. J. Thomson, quien demostró que estaban formados por partículas negativas que se movían a grandes velocidades, de igual masa y carga.

Esas partículas fueron llamadas ELECTRONES y consideradas constituyentes universalesde la materia.

El electrón presenta las siguientes características:

Masa = 9,109 x 10 – 28 gramos ó 0,00055 umaCarga = 1,602 x 10 – 19 coulombs ó 4,8 x 10 – 10 ues.

b) PROTON:

En 1866 Goldstein, al realizar experiencias con rayos catódicos logró detectar rayos positivos.

Al ser estudiada esta radiación se encontró que constaba de partículas positivas cuya masadependía del tipo de gas que hay en el tubo. A estas partículas se les denominóPROTONES y se les consideró también constituyentes universales de la materia.

La determinación de la masa y de la carga arrojó los siguientes resultados:

Masa =1,673 x 10 – 24 gramos ó 1,0073 umaCarga = 1,602 x 10 – 19 coulombs ó 4,8x10 – 10 ues

La carga es la misma que la del electrón pero con signo contrario.

c) NEUTRON:

Su descubrimiento se informó en el año de 1932, por las dificultades de detectar y mediruna partícula de carga cero. Correspondiéndole a Chadwick su existencia. Son inestablescon una vida media de 13 minutos.


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Desempeñan la función de AGLUTINADORES DE LOS PROTONES, ya que consigueneliminar la fuerza de repulsión que los protones ejercerían entre sí, debido a su mutuacercanía entre ellos (carga eléctricas iguales se repelen). Su masa es aproximadamente1,675 x 10 – 24 gramos.

CONSTANTES DEL ATOMO:

NUMERO ATOMICO, Z:Establece el número de protones que existen en el núcleo atómico, el número de electronesque se encuentran girando alrededor de éste y la ubicación del elemento en la tabla periódica.

NUMERO DE MASA ATOMICA o NUMERO MASICO, A:Determinado por la suma de protones y neutrones que hay en el núcleo atómico. Tomandoen cuenta esta definición podemos establecer que:

p#Z NZAn# p#A o

Donde: Z = # p+ = # e – N = Número de neutrones

REPRESENTACION SIMBOLICA DE UN ATOMO:

ZEA Donde: E = Símbolo de un elementoA = Número de masa atómica

Z = Número atómico.

Por ejemplo: 11 Na23; 17Cl35; 8O16; 79Au197

REPRESENTACION GRAFICA DE UN ATOMO:


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EJERCICIO:Un elemento cualquiera tiene las siguientes características: Z=23 y A=75. Hallar: a) Número de e – , b) Número de p+, c) Número de no, y d) Representar en forma gráfica ysimbólica el átomo del elemento.

a)

Como Z=23 y Z es el número atómico y este representa el número de electrones y protones, entonces hay 23 e – .

b) Como #p+ = # e – , entonces hay 23 p+.

c) El número de neutrones es: #n0 = 75 – 23 = 52

d)

Tomando en cuenta los anteriores cálculos, representamos al átomo: 23E75

4. MODELOS ATOMICOS:

a) MODELO ATOMICO DE THOMSOM:

Representó al átomo como un modelo estático, en el cual los electrones ocupaban posiciones fijas en el seno de una masa positiva. El modelo macizo de Thomsom fueaceptado durante algunos años por que permitía explicar cualitativamente algunosfenómenos como la emisión de la luz por los átomos y la pérdida de electrones porfrotamiento.

b) MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD:Demuestra la existencia del núcleo atómico en el que encontraba toda la masa y la carga positiva del átomo, lo que le permite proponer un nuevo modelo atómico localizando alnúcleo en el centro del átomo y alrededor del cual se encuentra una nube de electrones que poseían carga negativa.

c)

MODELO ATOMICO DE BOHR:El átomo esta constituido por un corpúsculo central llamado Núcleo donde se encuentranlos protones y neutrones, contiene la totalidad de la carga positiva y la masa del átomo, ylos electrones se encuentran girando alrededor del núcleo en órbitas circulares yconcéntricas, existiendo un determinado número de electrones por cada órbita.


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d) MODELO ATOMICO DE SOMMERFIELD:Acepta la existencia de un núcleo central donde se encuentran los protones y neutrones; ylos electrones se hallan girando alrededor del núcleo describiendo órbitas elípticas.

e) TEORIA ATOMICA MODERNA:

Un átomo esta constituido por un núcleo central en el que se encuentran los protones y losneutrones, toda la carga positiva y la masa del átomo; y los electrones se encuentrangirando alrededor del núcleo describiendo trayectorias circulares o elípticas de acuerdo a laenergía que posea el electrón, debiendo existir tantas trayectorias, tantos orbitales comoelectrones tenga el átomo.

f) MODELO DE LA MECANICA CUANTICA:La mecánica cuántica trata de definir el orbital. ORBITAL, es la región del espacioalrededor del núcleo donde se tiene la máxima probabilidad (superior al 90%) de encontrarun determinado electrón.

La MECANICA CUANTICA se fundamenta en 4 números cuánticos.

5. NUMEROS CUANTICOS Y DISTRIBUCION ELECTRONICA:

a) NUMEROS CUANTICOS:

Estos números nos permiten calcular la energía del electrón y predecir el área alrededor delnúcleo donde se puede encontrar el electrón (ORBITAL). Estos son:

1) NUMERO CUANTICO PRINCIPAL, n:Determina el NIVEL de energía principal o capa en donde se encuentra el electrón yademás nos da a conocer la posición de la nube electrónica.

Los valores determinados para este número son los siguientes:

n : 1 2 3 4 5 6 7K L M N O P Q


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La capa n = 1, es la más cercana al núcleo y tiene la menor energía, es decir, la energíase cuantifica en base a la distancia que hay entre cada nivel y el núcleo atómico.

2) NUMERO CUANTICO SECUNDARIO, l :

Determina el SUBNIVEL o SUBCAPA dentro del nivel principal de energía. Nosindica la forma de la nube electrónica u orbital donde se encuentran electronesalrededor del núcleo. De acuerdo a la mecánica cuántica puede tomar los siguientesvalores:

l : 0, 1, 2, 3, ... , hasta (n – 1).

Se nombran por medio de letras:

l : 0 1 2 3s p d f

Donde:s: Sharp

p: principald: Diffusef: fundamental

A continuación se muestran algunas formas de estos subniveles:

subnivel “s”

subniveles “p”


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subnivel “d”

subniveles “f”

3) NUMERO CUANTICO MAGNETICO, m:

Representa la ORIENTACION de los orbitales electrónicos en el espacio. Cadasubnivel consta de uno o más orbitales electrónicos. El número de orbitales esta dado por la siguiente ecuación, n2.

Sus valores son:

m : – l , … , – 1, 0, +1, … , + l

A continuación se muestra la relación entre los números cuánticos n, l y m:


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n l DESIGNACION

DE LOSSUBNIVELES

m NUMERO

DEORBITALES

1 0 (s) 1s 0 12 0 (s)

1 (p)

2s

2p

0

– 1, 0, +1

1

33 0 (s)1 (p)2 (d)

3s3p3d

0 – 1, 0, +1

– 2, – 1, 0, +1, +2

135

4 0 (s)1 (p)2 (d)3 (f)

4s4p4d4f

0 – 1, 0, +1

– 2, – 1, 0, +1, +2 – 3, – 2, – 1, 0, +1, +2, +3

1357

Cada valor de m, constituye un orbital.

4) NUMERO CUANTICO DEL SPIN, s:Representa el movimiento de rotación que tiene el electrón sobre su propio eje,mientras va describiendo su trayectoria.

Los valores para este número son: – 1/2 () y +1/2 ()

– ½ +½

b)

DISTRIBUCION ELECTRONICA:

Es la forma abreviada de representar a los electrones en los niveles y subniveles que poseeel átomo de un elemento.

Para realizar la distribución electrónica se debe tomar en cuenta:

a) PRINCIPIO DE EXCLUSION DE PAULI:Este principio manifiesta que: “EN UN ATOMO CUALQUIERA NO PUEDEN

EXISTIR DOS ELECTRONES CUYOS NUMEROS CUANTICOS TENGAN LOSMISMOS VALORES”.

b)

POBLACION ELECTRONICA:El número máximo de electrones en cada NIVEL es, 2n2, donde el valor de ncorresponde al número cuántico principal:


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n # máx. e –

1234

567

281832

507298

De acuerdo al número de electrones existentes, la distribución es la siguiente:

n # máx. e – (REAL)123

4567

2818

3232182

El número de electrones en cada SUBNIVEL, se determina utilizando la siguienteecuación, 2(2l + 1), donde l corresponde al valor del número cuántico secundario:

l # máx. e – 0 (s)

1 (p)2 (d)3 (f)

2

61014

En cada ORBITAL debe existir un máximo de 2 electrones

c)

PRINCIPIO DE DESARROLLO DE LA ENERGIA:Este principio establece que: “LOS ELECTRONES SIEMPRE TIENDEN A OCUPAR

LOS ORBITALES O SUBNIVELES DE MENOR ENERGIA”.

La energía de un subnivel es igual a la suma de los valores de n yl

:ET = n + l

Se llenará primero el subnivel que tenga el menor valor de (n + l ), y en caso de que elvalor de (n + l ) sea igual, se satura primero el subnivel con el menor valor de n.


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El problema del cálculo de la energía de cada subnivel se soluciona cuando sedeterminan las llamadas DIAGONALES DE PAULING, diagonales que se registran acontinuación:

n

1 1s2 2s 2p3 3s 3p 3d4 4s 4p 4d 4f5 5s 5p 5d 5f6 6s 6p 6d7 7s

En forma horizontal, tenemos: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, ...

La saturación de los diferentes subniveles puede realizarse también tomando en cuentael siguiente diagrama, el cual se lee en secuencia normal de izquierda a derecha y dearriba hacia abajo:

1s2s 2p3s 3p4s 3d 4p5s 4d 5p6s 4f 5d 6p7s 5f 6d 7p

En la distribución electrónica se debe tomar en cuenta la siguiente representación comoejemplo:

A continuación se muestran algunas distribuciones:

3e – : 1s2, 2s1 7e – : 1s2, 2s2, 2p3 17e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5 27e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d7


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d) REGLA DE HUND:Esta regla establece que: CUANDO UN SUBNIVEL CONTIENE MAS DE UNORBITAL, LOS ELECTRONES SE DISTRIBUIRÁN EN TODOS LOSORBITALES DISPONIBLES, CON SUS ESPINES EN LA MISMA DIRECCION.

Los electrones se incorporan a los átomos en el orden que se ve en la figura, llenándose primero los niveles y subniveles de menor energía, la saturación electrónica estárelacionada con la Tabla Periódica. Hay que comenzar por la parte superior izquierdade la tabla periódica y moverse a lo ancho y hacia abajo de la tabla, a través de los períodos desde arriba hacia abajo.

1s 1s2s 2p3s 3p4s 3d 4p5s 4d 5p

6s 5d 6p7s 6d

4f5f

La siguiente tabla resume la información más importante acerca de los niveles deenergía, subniveles, orbitales atómicos y la distribución de los electrones dentro de lossubniveles.

NIVEL DE

ENERGIA,n

NUMERO DE

SUBNIVELES,l

TIPO DEORBITAL

NUMERO DEORBITALES

NUMEROMAXIMO DE

ELECTRONESPOR SUBNIVEL

NUMERO

TOTAL DEELECTRONES

1

2

3

4

1

2

3

4

1s

2s2p

3s3p3d

4s4p4d4f

1

13

135

1357

2

26

2610

261014

2

8

18

32


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e) REPRESENTACION A TRAVES DE ORBITALES (Celdas):Es la representación gráfica de los electrones que existen en un orbital (celdaelectrónica) y que está de acuerdo al valor de m (número cuántico magnético).

Se debe tomar en cuenta el espín del electrón: – 1/2 () y +1/2 ()

Como regla se llenarán los orbitales, primero con electrones de spin negativo () yluego con los de spin positivo ().

A continuación se muestra la forma de representar los electrones a través de celdas(orbitales):

PRICIPIOS DE ESTABILIDAD DE LOS SUBNIVELES d:a)

Los subniveles d, tienen una estabilidad media cuando poseen un electrón en cada celda(orbital).

ns2, (n – 1)d4 ns1, (n – 1)d5

0 – 2 – 1 0 +1 +2 0 – 2 – 1 0 +1 +2

Por ejemplo: 24e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s1, 3d5 42e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s1, 4d5 74e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s1, 4f 14, 5d5

b)

Los subniveles d, tienen estabilidad total, cuando poseen completas las celdas con elnúmero máximo de electrones (dos en cada una).

ns2, (n – 1)d9 ns1, (n – 1)d10

0 – 2 – 1 0 +1 +2 0 – 2 – 1 0 +1 +2


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Por ejemplo: 29e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s1, 3d10 47e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s1, 4d10

79e – : 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s1, 4f 14, 5d10

EJERCICIOS:1)

Realizar las representaciones de las siguientes distribuciones electrónicas:

a) 1s2:s

0

b)

2p4:

p

– 1 0 +1

c) 3d8:d

– 2 – 1 0 +1 +2

d) 4f 11:f

– 3 – 2 – 1 0 +1 +2 +3

2)

A qué electrón pertenecen los siguientes números cuánticos:a) 3, 2, 0, – 1/2

d

– 2 – 1 0 +1 +2

1

2

3

4

3


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Del gráfico anterior se puede establecer que se trata del 3er e – del subnivel 3d. Siasumimos que este es el último electrón, la distribución electrónica total es:

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d3

Lo que nos indica que el átomo tiene 23 e

–

.

b) 4, 1, +1, +1/2

p

– 1 0 +1

Igual que en el ejercicio anterior, podemos decir que este electrón es el 6to del

subnivel 4p. Si este es el último electrón la distribución sería la siguiente:

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6

Teniendo el átomo un total de 36 electrones.

6.

PESOS ATOMICOS:

a)

ISOTOPOS:La palabra ISOTOPOS se deriva del griego y se descompone en las raíces: ISO, quesignifica Igual y TOPOS , Lugar. Es decir, el Isótopo de un elemento químico es un

átomo que ocupa el mismo lugar del elemento en la tabla periódica, tiene el mismonúmero atómico, Z (el mismo número de protones); pero diferente número de masaatómica, A (diferente número de neutrones).

12Mg24: 12 p+ 12 e – 12 no 78,9% 12Mg25: 12 p+ 12 e – 13 no 10,0% 12Mg26: 12 p+ 12 e – 14 no 11,0%

En cambio los átomos de igual peso o masa atómica pero diferente número atómico, sedenominan ISOBAROS, por ejemplo: 19K 40 y 20Ca40:

18Ar 40: 18 p+ 18 e – 22 no 19K 40: 19 p+ 19 e – 21 no

20Ca40: 20 p+ 20 e – 20 no

Los átomos de elementos diferentes que poseen igual número de neutrones y diferentenúmero atómico y másico, se conocen como ISOTONOS, por ejemplo:

4


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30

11 Na23: 11 p+ 11 e – 12 no 12Mg24: 12 p+ 12 e – 12 no

Se llaman ISOELECTRICOS, a los átomos que poseen igual número de electrones ensu estructura; por ejemplo:

8O – 2: 8 p+ 8 e – 10 e – 9F – 1: 9 p+ 9 e – 10 e – 10 Ne: 10 p+ 10 e – 10 e –

11 Na+1: 11 p+ 11 e – 10 e – 12Mg+2: 12 p+ 12 e – 10 e –

En la siguiente tabla se presentan algunos isótopos estables de algunos elementos y susabundancias:

Z ISOTOPO ABUNDANCIA (%) Z ISOTOPO ABUNDANCIA (%)

1 H

1

99,985 14 Si

28

92,28 H2 0,015 Si29 4,67 2 He4 100 Si30 3,05 3 Li6 7,40 15 P31 100

Li7 92,6 16 S32 95,06 4 Be9 100 S33 0,74 5 B10 18,83 S34 4,18

B11 81,17 S35 0,014 6 C12 98,89 17 Cl35 75,4

C13 1,11 Cl37 24,6 7 N14 99,64 19 K 39 93,1

N15 0,36 K 41 6,9 8 O16 99,76 20 Ca40 96,92

O17 0,04 Ca42 0,64 O18 0,20 Ca43 0,13

9 F19 100 Ca44 2,13 10 Ne20 90,51 Ca46 Indicios

Ne21 0,28 Ca48 0,18 Ne22 9,21 47 Ag107 51,35

11 Na23 100 Ag109 48,65 12 Mg24 78,6 51 Sb121 57,25

Mg25 10,1 Sb123 42,75 Mg26 11,3 77 Ir 191 38,5

13 Al27 100 Ir 193 61,5

b) PESO ATOMICO o MASA ATOMICA QUIMICA:El Peso o Masa Atómica de los elementos resulta ser el peso promedio relativo de lacomposición isotópica natural del elemento.


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7. ATOMO-GRAMO:Se define como el peso o masa atómica de un elemento expresado en gramos, serepresenta como at-g y se le conoce también con el nombre de MOL DE ATOMOS.

Así: 1at-g de Hidrógeno tiene un peso de 1,008 gramos

1at-g de Oxígeno pesa 16 gramos1at-g de Cloro pesa 35,453 gramos1at-g de Plata pesa 107,87 gramos

El número de átomos que contiene un átomo-gramo de cualquier elemento es de6,022x1023 átomos de dicho elemento, conocido como NÚMERO DE AVOGADRO(NA). Por lo tanto, el átomo-gramo es el peso o masa en gramos de 6,022x1023 átomosde cualquier elemento.

8. MOLECULA-GRAMO:Conocida como MOL, y se define como el peso o masa molecular de un compuestoexpresado en gramos.

En una molécula-gramo o mol de cualquier compuesto existen 6,022x1023 moléculas.Por lo tanto, la molécula-gramo es el peso en gramos de 6,022x1023 moléculas de undeterminado compuesto.

PESO MOLECULAR:Es la suma de los pesos o masas atómicas de los elementos que forman un compuestodeterminado. A continuación se muestra el cálculo del peso molecular del AcidoSulfúrico, H2SO4:

ELEMENTO PESO ATOMICO PESO TOTALHSO

13216

2 x 1 = 21 x 32 = 324 x 16 = 64

TOTAL: 98 g/mol

Es decir, 98 gramos pesa una molécula-gramo o un mol de Acido Sulfúrico, H 2SO4.

PROBLEMOS RESUELTOS:

1) Calcular el peso atómico del cloro si la composición isotópica es: Cl 35, 75,4%; Cl37,24,6%.

(%)

)AtómicaMasa(%PA


21/29



32

492,35100

91022639

100

)37)(6,24()35)(4,75()Cl(PA

2) El carbono en la naturaleza contiene dos isótopos C12 y C13, cuales serán las

abundancias isotópicas de estos dos isótopos, si el peso atómico del carbono es12,011.

Le asignamos a cada incógnita una variable: %C12 = X%C13 = Y

Por lo tanto: 100YX

De donde: Y100X

Reemplazando en la ecuación que se utiliza para el cálculo del peso atómico, tenemos:

100

Y13X12011,12

100

Y13)Y100(12011,12

100

Y13Y121200011,12

Y12001,1201

10,1Y

Entonces: %C13 = 1,10; por lo tanto: X = 100 – 1,1; de donde: %C12 = 98,90

3) Calcular el número de átomos-gramos y el número de átomos que hay en 2,5 gramos deZinc, si el peso atómico es 65,4.

Establecemos las siguientes operaciones (reglas de tres o factor de conversión):

Zng-at0388,0Zng4,65

Zng-at1Zng5,2

Znátomos10x302,2Zng4,65

Znátmos10x022,6Zng5,2 22

23


22/29



33

4) Determinar el número de at-g y el número de gramos que hay en 2,4x10 23 átomos deAg, si el peso atómico es 108.

Igual que en el problema anterior, establecemos las operaciones:

Agg-at3985,0Agátomos10x022,6

Agg-at1Agátomos10x4,2 2323

Agg04,43Agátomos10x022,6

Agg108Agátomos10x4,2

23

23

5) En 0,245 at-g de Ni. Determinar los átomos y los gramos de Ni que existen si el pesoatómico del Ni es 58,7.

Establecemos las siguientes operaciones:

Niátomos10x475,1 Nig-at1

Niátomos10x022,6 Nig-at245,0 23

23

Nig38,14 Nig-at1

Nig7,58 Nig-at245,0

6) Calcular el número de moles y el número de moléculas a los que corresponde 1,5 g deCaCl2. Si los pesos atómicos de los elementos son: Ca=40 y Cl=35,5.

Determinamos el peso molecular del CaCl2: Ca=40 y Cl=35,5; entonces: CaCl2 = 111g/mol, y realizamos las operaciones:

2

2

22 CaClmoles0135,0

CaClg111

CaClmol1CaClg5,1

2

21

2

2

23

2 CaClmoléculas10x14,8CaClg111

CaClmoléculas10x022,6CaClg5,1

7) Determinar el número de moléculas y el número de gramos que hay en 0,250 moles deH2SO4, si los pesos atómicos son: H=1, S=32 y O=16.

Calculamos de la misma manera que en el problema anterior el peso molecular delácido, siendo este: H2SO4 = 98 g/mol y establecemos las siguientes operaciones:


23/29



34

42

42

4242 SOHg50,24

SOHmol1

SOHg98SOHmoles250,0

42

23

42

42

23

42 SOHmoléculas10x506,1SOHmol1

SOHmoléculas10x022,6SOHmoles250,0

8) En 1,750x1021 moléculas de NaNO3, determinar el número de gramos y moles que haydel compuesto, si los pesos atómicos son: Na=23, N=14 y O=16.

Determinamos el peso molecular del compuesto NaNO3 = 85 g/mol y establecemos lassiguientes operaciones:

3

3

23

33

23 NaNOg2470,0 NaNOmoléculas10x022,6

NaNOg85 NaNOmoléculas10x750,1

3

3

3

33 NaNOmoles10x9059,2

NaNOg85

NaNOmol1 NaNOg2470,0

9)

En 75 gramos de CaCl2. Determinar: a) las moles del compuesto, b) moléculas delcompuesto, c) at-g de cada elemento, d) átomos de cada elemento y e) gramos de cadaelemento. Si los pesos atómicos son: Ca=40 y Cl=35,5.

Determinamos el peso molecular del CaCl2 = 111 g/mol

Establecemos las siguientes operaciones:

a) 22

22 CaClmoles6757,0

CaClg111

CaClmol1CaClg75

b) 223

2

2

23

2 CaClmoléculas10x07,4CaClg111

CaClmoléculas10x022,6CaClg75

c) En 1 mol de CaCl2 hay 1 at-g Ca y 2 at-g Cl, por tanto:

Cag-at6757,0CaClmol1

Cag-at1CaClmoles6757,0

2

2

Clg-at3514,1CaClmol1

Clg-at2CaClmoles6757,0

2

2


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35

d)

Caátomos10x07,4Cag-at1

Caátomos10x022,6Cag-at6757,0 23

23

Clátomos10x14,8

Clg-at1

Clátomos10x022,6Clg-at3514,1 23

23

e) Cag03,27Cag-at1

Cag40Cag-at6757,0

Clg97,47Clg-at1

Clg5,35Clg-at3514,1

10) Una muestra de 1,5276 gramos de CdCl2 (Cloruro de Cadmio) fue convertida mediante

un proceso electrolítico en Cadmio metálico. El peso del Cadmio metálico fue de0,9367 gramos. Si el peso atómico del Cloro es 35,453; determinar el peso atómico delCadmio.

Según los datos: 1,5276 g CdCl2 0,9367 g Cd metálico

Determinamos los gramos de Cloro: g5909,09367,05276,1Clg g

En un mol de CdCl2 hay 1 at-g de Cd y 2 at-g de Cl; por lo tanto:

Clg-at0167,0Clg5,35

Clg-at1Clg5909,0

Cdg-at10x33,8Clg-at1

Cdg-at2Clg-at0167,0 3

Calculados los at-g de Cadmio, determinamos el peso atómico del elemento:

)ATOMICOPESO(Cdg2,112Clg-at1

Cdg-at2Clg-at0167,0

11) En una determinación química del peso atómico del Vanadio se sometió a una muestrade 2,8934 gramos de VOCl3 a una serie de reacciones por medio de las cuales todo elCloro contenido en este compuesto se convirtió en AgCl, cuyo peso es de 7,1801gramos. Si los pesos atómicos de: Ag=108, Cl=35,5 y O=16, calcular el peso atómicodel Vanadio.


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36

Determinamos el peso molecular del AgCl: AgCl = 143,5 g/mol. Por medio del cualdeterminamos las moles de AgCl:

AgClmoles05004,0AgClg5,143

AgClmol1AgClg1801,7

Determinamos los at-g de Cl en el AgCl:

Clgat05004,0AgClmol1

Agg-at1AgClmoles05004,0

Como todo el Cloro que forma el AgCl, está formando parte del VOCl3, tenemos:

Vg-at0167,0Og-at0167,0Clg-at3

Og-at1Clg-at05004,0

Determinamos las masas de Cloro y Oxígeno:

Clg776,1Clg-at1

Clg5,35Clg-at05004,0

Og2672,0Og-at1

Og16Og-at0167,0

Determinamos la masa del Vanadio a partir de 2,8934 g de VOCl3:

2672,0776,18934,2Vg g8502,0Vg

Por lo tanto:

)ATOMICOPESO(Vg9,50Vg-at1Vg-at0167,0

Vg8502,0

12) Un compuesto está formado por los elementos A, B y C en la relación 2:2:7.Determinar la cantidad máxima de compuesto que se puede formar a partir de: 0,175at-g de A; 9,03x1022 átomos de B y 9,63 g de C. Si los pesos atómicos son: A=23;B=31 y C=16.

Transformamos los gramos y los átomos de B y C en átomos-gramo:


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37

Bg-at1499,0Bátomos10x022,6

Bg-at1Bátomos10X03,9

23

22

Cg-at6018,0Cg16

Cg-at1Cg63,9

En 1 mol del compuesto A2B2C7 hay: 2 at-g A2 at-g B7 at-g C

Por lo que podemos determinar las moles del compuesto con cada uno de los at-g decada elemento:

722722 CBAmoles08750,0

Ag-at2

CBAmol1Ag-at175,0

722722 CBAmoles07495,0

Bg-at2

CBAmol1Bg-at1499,0

722722 CBAmoles08597,0

Cg-at7

CBAmol1Cg-at6018,0

De lo que podemos concluir que: A produce 0,08750 moles A2B2C7 B produce 0,07495 moles A2B2C7 C produce 0,08597 moles A2B2C7

De los resultados anteriores se establece que la cantidad máxima en moles delcompuesto es la proporcionada por el elemento B, cantidad que corresponde a la menorde todas: por lo tanto B es el ELEMENTO LIMITANTE.

A continuación por medio del peso molecular del compuesto, determinamos lacantidad máxima en gramos:

)MAXIMACANTIDAD(CBAg50,16CBAmol1

CBAg220CBAmoles07495,0 722

722

722722

13) Se disuelve una muestra de 12,5843 g de ZrBr 4 y, después de varios procesos químicos,todo el bromo combinado se precipita como AgBr. El contenido de plata en el AgBr es13,2160 g. Si los pesos atómicos de la Plata y el Bromo son 107,870 y 79,909respectivamente. Determinar el peso atómico del Zr.Calculamos los at-g de Plata:


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38

Agg-at1225,0Agg870,107

Agg-at1Agg2160,13

Como la relación es de 1 a 1 entre la Ag y el Br en el AgBr, tenemos los mismos at-gde Bromo, esto es 0,1225 at-g. Luego determinamos el peso de Bromo contenido en

estos at-g:

Br g7882,9Bg-at1

Br g909,79Br g-at1225,0

Calculamos los at-g de Zr:

Zr g-at0306,0Br g-at4

Zr g-at1Br g-at1225,0

Determinamos el peso de Zirconio que existe en la muestra:

7882,95843,12Zr g g7961,2Vg

Finalmente determinamos el peso atómico del Zr:

)ATOMICOPESO(Br g3758,91Zr g-at1Zr g-at0306,0

Zr g7961,2

PROBLEMAS PROPUESTOS:

1. El argón en la naturaleza tiene tres isótopos, los átomos de los cuales aparecen con lasabundancias siguientes: 0,34% de Ar 36; 0,07% de Ar 38 y 99,59% de Ar 40. Determinar el peso atómico del Argón a partir de estos datos. Resp. 39,948

2. El Boro natural consta de 80% de B11 y 20% de otro isótopo, para poder explicar el peso atómico de 10,81. Cuál debe ser la masa nucleíca del isótopo. Resp. 10,01

3. En una determinación química de pesos atómicos, se encontró que el Estaño contenidoen 3,7692 g de SnCl4, es 1,717 g. Si el peso atómico del Cloro es 35,453. Cuál es elvalor de peso atómico del Estaño determinado a partir de este experimento. Resp.118,65

4. 3 at-g de Cromo reaccionan exactamente con el elemento Q, y todo el Cromo se hatransformado en Cr 2Q3. El Cr 2Q3 se trata después con Estroncio metálico y todo el Q setransforma en SrQ; después se hace reaccionar el SrQ con Sodio metálico y todo el SrQse transforma en Na2Q, cuyo peso es de 782 gramos. Determinar el peso atómico delelemento Q, si el del Sodio es 23. Resp. 128


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39

5. El peso atómico del azufre se determinó descomponiendo 6,2984 g de Na2CO3 conAcido Sulfúrico y pesando el Na2SO4 formado, se encontró un peso de 8,438 g.Tomando los pesos atómicos de C, O y Na como 12; 16 y 23 respectivamente. Cuál esel valor para el peso atómico del Azufre. Resp. 32,017

6.

Calcule el número de gramos en un mol de cada una de las sustancias comunes: a)calcita, CaCO3; b) cuarzo, SiO2; c) azúcar de caña, C12H22O11; d) yeso, CaSO4.2H2O; e) plomo blanco, Pb(OH)2.2PbCO3. Resp. a) 100,09 g; b) 60,09 g; c) 342,3 g; d) 172,2 g;e) 775,7 g

7. a) Cuántos at-g de Ba y Cl están contenidos en 107 g de Ba(ClO3)2.H2O. b) Cuántasmoléculas de agua de hidratación están en esa misma cantidad. Resp. a) 0,332 at-g Ba;0,664 at-g Cl; b) 2x1023 moléculas H2O

8. A un reservorio que proporciona agua se le ha agregado 0,10 ppb (partes por billón) decloroformo, CHCl3. Cuántas moléculas de CHCl3 estarán contenidas en una gota de estaagua. Una gota es equivalente a 0,05 ml. Resp. 2,5x1010 moléculas

9.

Calcular el peso molecular de las siguientes sustancias: a) Clorato de Potasio, KClO3; b)Acido Fosfórico, H3PO4; c) Hidróxido de Calcio, Ca(OH)2; d) Cloruro Férrico, FeCl3;e) Sulfato de Bario, BaSO4; f) Cloruro Crómico, CrCl3. Resp. a) 122,55; b) 97,99; c)74,10; 162,5; e) 233,40; f) 158,38

10. Se tiene 0,75 moles de Fósforo (P4). a) cuántas moléculas de P4 hay; b) cuántos átomosde P hay; c) cuántos at-g de P. Resp. a) 4,5x1023 moléculas P4; b) 1,8x1024 átomos P;c) 3 at-g P

11. Calcular el número de gramos en 0,5 moles de las siguientes sustancias: a) yesoCaSO4.2H2O; b) plomo blanco, Pb(OH)2.2PbCO3; c) galena, PbS. Resp. a) 86,1 g; b)387,85 g; c) 119,5 g

12.

a) Cuántos átomos de oxígeno hay 0,5 moles de Ba(NO 3)2 y b) cuántos átomos denitrógeno hay en la misma cantidad. Resp. a) 1,80x1024 átomos; b) 6,022x1023 átomos

13.

Cuando se calienta el hierro en el aire, reacciona el hierro con el oxígeno del aire en proporción de tres átomos de oxígeno por cada dos de hierro, si se calientan 6 gramosde hierro. Determinar: a) el peso total del producto; b) los at-g de oxígeno que hanreaccionado. Resp. a) 8,60 g; b) 0,16 at-g

14.

En una muestra de 180 cm3 de Benceno (C6H6) líquido puro, de densidad, 0,88 g/cm3.Calcular: a) peso del C6H6; b) Peso molecular del C6H6; c) número de átomos de C en lamuestra. Resp. a) 158,4 g; b) 78,114 g/mol; c) 7,32x1024 átomos C

15. Cuál de las siguientes muestras contiene el número más grande de átomos: a) 2 g deoro, Au; b) 2 g de agua, H2O; c) 2 g de helio, He; d) 2 g de octano, C8H18. Resp. 2,0 gHe


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FUNDAMENTOS DE QUIMICA GENERAL Estructura de la Materia 40

16. Cuántos at-g de azufre están presentes en 15 moles de Au 2(SO4)3. Resp. 45 at-g S

17.

Cuando se calientan 2,451 g del compuesto MXO3 puro y seco, se liberan 0,96 g deOxígeno. El otro producto es el compuesto MX, que pesa 1,491 g. Cuando el MXreacciona completamente con un exceso de Nitrato de Plata se forma un sólido AgX,

que pesa 2,869 g. Sabiendo que los pesos atómicos del oxígeno y de la plata son de 16 y108 respectivamente. Calcular los pesos atómicos de los elementos M y X.

18. Determinar el número de libras de Cromita que contiene el 42% de Cr 2O3 que serequieren para obtener 2,6 libras de Cr. Resp. 9,02 libras

19. Un compuesto esta formado por los elementos X, Y, Z, en relación 1:1:4. Determinar lacantidad máxima de compuesto que se puede formar a partir de: 24,5 g de X; 5x1023 átomos de Y y 3,5 at-g de Z, sabiendo que los pesos atómicos son X=40; Y=32; Z=16.

20. Determinar: a) el número de moles de Nitrato Ferroso, Fe(NO3)2; y b) el número demoléculas que están contenidas en 21,24 g de dicha sustancia.

Quimica de Luis Escobar

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