Unidad i Introduccion y Leyes de La Quimica 2016

8/17/2019 Unidad i Introduccion y Leyes de La Quimica 2016

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CARRERA DE INGENIERIA CIVILQUIMICA GENERAL Y LABORATORIO CIV 131Ing. Ruth E. Ayarde

TEMA I

INTRODUCCION Y LEYES DE LA QUIMICA

l.l. LA QUÍMICA Y SU DEFINICIÓN

" La quí!a #$%u&!a la 'a%u(al#)a la a%#(!a"

La química con frecuencia se la describe como la ciencia fundamental, pues suele intervenir enciencias como biología, geología o física. Cuando se estudia la composicin y los cambios quesufren las rocas, los suelos, la atmsfera, los materiales semiconductores, el metabolismo de losseres vivos o muchos otros temas, estas tratando con sustancias y cambios químicos. !or tanto la"uímica nos ense#a a mane$ar los problemas cotidianos, problemas t%cnicos y de investigacinusando un enfoque lgico y planificado., por &ltimo, la química nos ense#a a plantear interrogantes y buscar respuestas sobre las propiedades e interacciones de los materiales.

Como ciencia la química estudia las propiedades, composicin, estructura y cambios de la materia.Cada sustancia química tiene características específicas, todo lo que puedes tocar, ver u oler contiene una o mas sustancias químicas, muchas de ellas e'isten en la naturale(a y otras sonsint%ticas. AI estudiar la naturale(a de los ob$etos materiales trata de me$orar la calidad de vida,aliviando problemas medioambientales como de polucin causada por los gases de escape producto de la combustin interna de los motores y chimeneas industriales, los que provocan amenudo Lluvias )cidas u otro tipo de problemas.

La química es por lo tanto una ciencia e'perimental basada en observaciones, datose'perimentales y e'plicaciones tericas regidas por leyes y principios. A esta e'perimentacin

guiada por la teoría y una secuencia de pasos se denomina m%todo científico.

1.*. MATERIA Y ENERGIA

1.*.1 D#+!'!!,' a%#(!a - a(a%#(í$%!a$ *

+ ateria es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa+

La materia se puede describir simplemente como de lo que est)n hechas todas las cosas materialesdel universo. E- agua, la sal, el a(&car, el acero, los alimentos que comemos, el aire querespiramos son materia.

En la definicin de materia se usa el t%rmino de masa, entendi%ndose por masa a la medida de lacantidad de materia en un ob$eto. Con frecuencia se confunde la masa con el peso. El peso es laaccin de la fuer(a de gravedad sobre la masa de un ob$eto en particular, esta fuer(a puede variar de una locali(acin a otra en funcin de la altura pero la masa es siempre la misma.

1.*.*. La E'#(ía

La energía se la define como la capacidad para realizar trabajo o transferir calor .


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Entre las formas m)s comunes de energía est)n la lu(, el calor, la energía el%ctrica, la energíamec)nica y la energía química. Cada una de estas energías pueden convertirse de una forma a otra.!or e$emplo al encender una linterna, la energía química almacenada en la batería se convierte enenergía el%ctrica, manifestada una buena parte en la lu( que emite y el resto como energíacalorífica. El movimiento de una turbina que es energía mec)nica se transforma en corrienteel%ctrica.

Cada una de estas formas de energía se pueden clasificar en dos tipos de energía * Energía potencial y energía cin%tica.

E'#(ía /0%#'!al * Es la energía almacenada, es la energía que posee un ob$eto debido a su posicin o a su composicin química. e tiene energía potencial en un ob$eto debido a su posicincuando se establece una distancia / altura 0 con respecto a un plano, por e$emplo un automvilestacionado en una colina, por el contrario la gasolina posee energía potencial debido a sucomposicin química. 1na e'presin de la energia potencial debido a su posicin es la siguientee'presin*

E/ 2

2onde la energía potencial esta directamente relacionada con la masa la gravedad y la altura delob$eto.

E'#(ía !'%!a * Es la energía de movimiento. Conforme un automvil estacionado en la colinacomien(a a ba$ar, la energía potencial se transforma en energía cin%tica. 2esde el punto de vistamatem)tico, la energía cin%tica / Ec 0 de un ob$eto es igual a la mitad de su masa / m0 multiplicada por el cuadrado de su velocidad / v0

E. 4 5*

1.3. E$%a&0$ +í$!0$ la a%#(!a

La estructura de la materia se refiere a las formas que adopta la materia. eg&n su temperatura, unamuestra de materia puede ser un slido, un líquido o un gas. Estas tres formas se conocen comoestados físicos. 3omando como e$emplo el agua seg&n el estado físico en el que se encuentrarecibe diferentes nombres, así cuando est) slida se le llama hielo, cuando se la calienta losuficiente, el hielo se funde y produce agua líquida, un calentamiento adicional produce agua enebullicin y un gas al que llamamos vapor., el cual de hecho es un gas invisible a una altatemperatura.

4usin ebullicin Agua slida Agua líquida Agua gaseosa / hielo 0 /vapor0


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1.3.1. E$%a&0 $,l!&0 la a%#(!a

1n slido tiene una forma y volumen definido. A nivel atmico poseen un arreglo definido yregular de las partículas individuales formando una red cristalina, estas se mantienen $untasgracias a fuer(as intensas de atraccin, siendo el movimiento de las partículas muy leve tan slocomo una vibracin en el interior de la red cristalina, esta disposicin ordenada de las partículas ysu acumulacin componen el slido.

1.3.*. E$%a&0 líqu!&0 la a%#(!a

A diferencia de los slidos, los líquidos adoptan la forma de los recipientes que los contienen,estos fluyen con facilidad, pero algunos lo hacen con m)s dificultad que otros, propiedad que est)definida por la viscosidad. La viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia al flu$o, asílos líquidos muy viscosos como la miel, fluyen con lentitud5 el agua y el alcohol son de ba$aviscosidad y fluyen con facilidad. Líquidos de igual o pr'ima densidad son miscibles lo quequiere decir que uno se disuelve en el otro. Es posible me(clarlos en cualquier proporcin sin quese separen en capas. Líquidos de diferente densidad como el aceite vegetal y el agua son

inmiscibles, cuando estos se agitan forman me(clas turbias llamadas emulsiones, donde gotasdiminutas de una de ellas se encuentran claramente suspendidas en el interior del otro. i se de$anen reposo, los líquidos inmiscibles se separan en dos capas diferenciadas.

1.3.6. E$%a&0 a$#0$0 la a%#(!a

Los gases no poseen forma o volumen definido, adoptan la forma y el volumen del recipiente quelos contiene, debido a su gran movilidad y velocidad de despla(amiento de sus mol%culas. 3ienenla particularidad de e'pandirse hasta llenar por completo cualquier recipiente que ocupen, aunquetambi%n es posible comprimirlos confin)ndolos a recipientes m)s peque#os. Los gases tambi%n sedifunden con rapide(, es decir se me(clan con otros gases al moverse para llenar el espacio

disponible. Las partículas de un gas a nivel atmico son independientes y est)n bastante separadasunas de otras5 tienen una gran energía de movimiento / energía cin%tica0 lo que permite e$ercer unafuer(a suficiente como para impedir que un globo por e$emplo se contraiga, ogenerar en un recipiente cerrado una determinada presin. Los gases son muy sensibles a loscambios de temperatura, pudiendo f)cilmente variar su volumen ante un incremento o decrementode la temperatura del medio que lo contiene.

1.6. 7(0/!#&a$ la a%#(!a + !ropiedad es cualquier característica de la materia que puede ser observable o medible o ambas ala ve(+.

6lor, color, sabor, te'tura, dure(a relativa, masa, densidad, volumen son algunas de las propiedades inherentes a la materia.

Las propiedades se clasifican en*

7(0/!#&a$ #8%#'$!5a$, son aquellas que dependen del tama#o de la muestra y son usadas comouna medida de la cantidad de materia. Como por e$emplo la masa e'presada como peso, elvolumen, longitud, el calor, etc.


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7(0/!#&a$ !'%#'$!5a$, son aquellas que no dependen del tama#o de la muestra, como el color,estado físico, temperatura o punto de ebullicin, punto de fusin ,etc. Estas propiedades definenque tipo de muestra es pero no la cantidad que esta presente. Algunos e$emplos de propiedadesintensivas se tienen en el cuadro a continuacin.

Ta9la I.1: Alu'a$ /(0/!#&a$ I'%#'$!5a$

7RO7IEDADES FÍSICAS

!unto de ebullicin Color 6lor Conductividad el%ctrica!unto de fusin abor 2ure(a Conductividad t%rmica7rillo uavidad 2uctilidad 8iscosidad8olatilidad Lubricidad aleabilidad 2ensidad

7RO7IEDADES QUÍMICAS

Arde en el aire Reacciona con )cidos específicos e

descompone cuando se calienta E'plotaReacciona con metales específicos Reacciona con no metales específicose empa#a Reacciona con el aguaEs t'ico

1.6.1. D#'$!&a&

La densidad es una característica importante de la materia. Cuando se habla de que el plomo es+pesado+ o el aluminio es +ligero+, uno se refiere en realidad a la densidad de estos metales. Ladensidad / 2 0 se la define como la relacin de la masa por unidad de volumen. 2ensidad 9 asa : 8olumen

D ; V

La densidad de los slidos se dan en gramos por centímetro c&bico / 2 9 g : cm; 0, mientras quelas densidades de los líquidos se e'presan por lo general en gramos por mililitro / g : mL 0.Recuerda que un mL ocupa el mismo espacio que un cm;, de manera que la densidad de unlíquido puede darse tambi%n en g : cm; o viceversa. !ara los gases, las densidades se dan engramos por litro / g: L 0. En la 3abla a continuacin se dan algunas densidades de materiales atemperatura ambiente.

Ta9la 1.*. : D#'$!&a$ #' a %#/#(a%u(a a9!#'%# - 0%(a$ %#/#(a%u(a$

adera balsa /apro'.0


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)rmol .


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1.


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G(>+!a 1.1: E$qu#a la$!+!a!,' la a%#(!a

Ga$? líqu!&0? $,l!&0

(0a? a(a

H, O, Fe NaCl, Azúcar, CO2

1.@. El %00

3oda la materia e'istente en la tierra y en el universo esta compuesta por )tomos, los que no podemos observarlos a simple vista y tampoco con la mayor parte de los microscopios, pero decuya naturale(a y poder depende su e'istencia.

K Los átomos son partículas neutras que se constituyen en la unidades básicas de la estructuraatómica, es la partícula mas pequeña que compone a un elemento y que conserva las mismas

características.

UNIDADES QUIMICAS

3.1. I'%(0&u!,'

i se hace referencia al concepto de materia y fundament)ndonos en los conocimientos hasta ahoraadquiridos sobre su naturale(a y comportamiento podemos asegurar que est) compuesta por )tomos cuando hablamos de elementos, y de mol%culas cuando hablamos de compuestos.

!ara referirnos a cada uno de estos conceptos tenemos que hacer referencia a las unidades en que

se e'presan las cantidades de materia correspondientes . por lo que se introducir) el concepto de peso atmico o masa atmica, peso molecular y el concepto de ol como una unidad que englobaa ambos conceptos atmicos y mol%culas.

3.* MASA O 7ESO ATÓMICO : 7ESO ATÓMICO GRAMO

i nos referimos a la partícula mas peque#a que identifica y tiene las mismas características que elelementos del )tomo, diremos que esta es tan peque#a que tiene un di)metro del orden de los -


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pesado ni en la balan(a mas sensible. !or esta ra(n se desarrolla la escala de masa atmica /pesoatmico0, que es una escala de masas relativas sobre la base de la masa atmica del carbono -/C-0 - unidades de masa atmica /- uma0.

- uma 9 -.FF


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- molecula @6 -mol ' -? g 9 .BB ' -


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ote que la definicin de un mol est) basada en - gramos de masa del -C. Este istopo delcarbn es el peso atmico estandar referencia para todos los elementos.

En funcin del &mero de Avogadro se puede establecer las siguientes triples relaciones deequivalencia*

- mol)tomos 9 !eso atmico / g 0 9 F.


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Las formulas empíricas y las moleculares son dos tipos claramente distintos de formulas químicasque se emplean con propsitos diferentes. i se compara por e$emplo el Acetileno C @, que seutili(a en aplicaciones de soldaduras sencillas y el benceno CF @F que es un liquido disolvente, se puede establecer la composicin porcentual de las dos sustancias y veremos ambos compuestostienen la misma composicin porcentual de carbono e hidrgeno.

1n mol de acetileno, C@9 F g 1n mol de benceno, CF @F 9 ? g

C* / D g C : F g C @ 0 ' -


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2eterminar la ra(n 4rmula empírica 4ormula molecular

E$emplo -

1n gas org)nico contiene un D< J de C y F.; J de @ y =;.; J de 6. El peso molecular delcompuesto es de -?-.< g:mol. Encontrar la formula empírica y molecular.

!rimer paso5 e debe siempre convertir los J en n&mero de moles o de )tomos del elementotomando como base -


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-?


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!ara poder determinar este tipo de frmulas, los datos de composicin pueden estar dados como Jde masa o en t%rminos de masa de cualquiera de los elementos. i son valores de masa estos sedeben convertir a moles para luego ser calculados los valores de los subíndices de cada uno de loselementos que componen la mol%cula.

LEYES FUNDAMENTALES

6.1. LEYES FUNDAMENTALES

Los químicos al estudiar e investigar las propiedades y transformaciones físicas y químicas de lamateria se caracteri(aron en sus inicios por proponer teorías incorrectas respecto a lo que sucedíadurante las reacciones químicas, como por e$emplo observaron que cuando se producía lacombustin de la madera, la ceni(a resultante era ligera y espon$osa, cuando se calentaba losmetales y reaccionaban con el aire, su apariencia cambiaba, el producto resultante era menos densoque el metal original, llegando a la conclusin que cuando las sustancias se quemaban perdíanalgo que los químicos como #ec$er y %ta$l llamaron flogisto. i bien se notaba que los metales alser calentados en presencia de aire aumentaban de peso la teoría sobrevivi por que se $ustificabadiciendo que el flogisto era mas ligero que el aire.

4ue Antonio Lavoisier un químico 4ranc%s /iglo O8III0 quien finalmente abandono la teoría delflogisto con sus e'perimentos demostr que el proceso de la combustin era en realidad lareaccin entre las sustancias y el o'igeno concluyendo que el elemento o'igeno era necesario parala combustin y que la llama encendida con o'igeno formaba vapor de agua y una sustanciallamada aire desflogisti(ado que ahora se lo conoce como di'ido de carbono. 3ambi%n demostrgracias a cuidadosas mediciones principalmente de peso, /para lo cual invento una balan(a e'actaque le permitía medir las masas de los reaccionantes y de los productos en las reaccionesquímicas0, que cuando se reali(a una reaccin dentro de un recipiente cerrado, de manera queninguno de los productos de la reaccin escapen, la masa total presente despu%s de que la reaccinse ha verificado es la misma que antes de iniciarse. Estas observaciones son la base para una de las

leyes mas importantes la l#- la 0'$#(5a!,' la a%#(!a

6.1.1. 7(!#(a l#- : l#- la C0'$#(5a!,' la Ma%#(!a.

Cualqu!#(a $#a #l #$%a&0 la a%#(!a '0 /u# $#( (#a&a '! $%(u!&a

Aplicada esta ley a una reaccin química se interpreta como la a$a l0$ (#a!0'a'%#$ #$#8a%a#'%# !ual a la a$a l0$ /(0&u%0$ +0(a&0$.

!or e$emplo*

; g N ==.? g 4e ?.? g 4e ra(n / :4e0 9 ; g : ==.? g 9


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os muestra esta reaccin que la ra(n es mayor que la estequiometrica / -.B P


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Es posible establecer entre los reaccionantes / hidrgeno y o'igeno 0 una (#la!,' a$a o(a),' a$a / ( @:6 0 que ser) siempre de -:?, independientemente de la fuente de donde provenga el agua .

( @:6 9 / D g : ; g 0 9 -: ? i se consideran diferentes cantidades para la relacin se tendría*

@idrgeno N 6'igeno

AguaD.


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!or lo que la masa @idrgeno e'cedente que no reacciona ser)*

-? g -.= g 9 =.= g @idrogeno

La masa de agua formada en funcin de las cantidades que reaccionan ser)*

@idrgeno N 6'igeno Agua-.= g N -


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mismo, por lo que se puede deducir que e'isten dos tipos de productos distintos. !ara averiguar larelacin de n&meros enteros peque#os , se procede a dividir cada valor entre el menor.

8 9 -.;; : -.;; 9 - - 9 .FF : -.;; 9

e tiene para la primera combinacin el mon'ido de carbono /C 6 1 0 y di'ido de carbono

/C 6 *0 para la segunda combinacin.

La aplicacin de la tercera Ley da relaciones de combinacin de masas que no siempre e'presanen forma directa la relacin de moles en que se combinan los elementos por lo que se hacenecesario interpretar esta relacin para convertirla en una relacin de moles y a partir de ahíconocer la +0(ula qu# (#/(#$#'%a.

7(09l#a$ A/l!a!,'

-. El a(ufre forma dos compuestos con el fluor. En uno de ellos se observa que


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Interpretando esta relacin diremos que


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Estos valores nos permiten establecer factores de conversin que pueden ser usados paraconvertir masa del elemento en masa de compuesto o viceversa. Como se muestra acontinuacin*

Cuanto de y a habr)n contenidos en los ;= g de muestra del problema planteado.

;= g muestra ' / D- g a(ufre : -


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