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Proyecto Ingreso Universitario 2019 Modalidades Mayores de 25 años sin título secundario Área de conocimiento Ciencias Naturales Química 2 Ciencias Naturales – Química Índice Materia y Energía………………………………………………… 3 Estados de la materia…………………………………………… 7 Energía …………………………………………………………… 10 Cambios de Estado de la Materia ……………………………… 17 Sistemas Materiales………………………………………………. 22 Tabla Periódica……………………………………………………. 33 Uniones Químicas ………………………………………………… 42 Nomenclatura ……………………………………………………… 46 Ecuaciones químicas……………………………………………… 58 Balanceo de ecuaciones………………………………………….. 60 Estequiometría……………………………………………………… 62 Soluciones…………………………………………………………… 67 3 Tema 1: Materia y Energía Que es la 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 acompañan a dichos procesos de cambio. La química como ciencia no es muy antigua, pudiéndose fijar sus comienzos alrededor del año 1800. Por esta época aparecieron las primeras teorías confirmadas experimentalmente. En el siglo XIX recién se desarrollaron los fundamentos que permitieron realizar aplicaciones industriales. En la primera mitad del siglo XX, químicos y físicos, trabajando juntos, establecieron la estructura de la materia a nivel submicroscópico. Durante las 24 horas del día, cada uno de nosotros está relacionado, en una u otra forma, con la química. El cuerpo humano es un ejemplo de gran actividad química, e incluso el pensamiento está relacionado con la energía química. Materia Se denomina materia a todo aquello nos rodea, que tiene masa y ocupa un volumen en el espacio. La materia de la que están hechos los objetos y los seres tienen propiedades que nos permiten diferenciarlas. La materia ya sea inerte o viva posee masa, volúmen y ocupa un lugar en el espacio. Todo lo que nos rodea y se transforma Materia – Cuerpo – Sustancia Observe atentamente a su alrededor. Seguidamente encontrara muchos objetos como los que aparecen en las siguientes imágenes. 4 Estos objetos, desde las ciencias naturales, se llaman cuerpos materiales. Actividad Elabore una lista de cuerpos materiales: …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Recordar La materia es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. La materia es de lo que están hechas todas las cosas. Es materia el agua, la madera, los huesos del cuerpo humano, el aire que está dentro de un globo ( el globo también). La luz, la inteligencia y la belleza no son materia porque no ocupan un espacio. Los distintos tipos de materia que constituyen los cuerpos reciben el nombre de sustancia. Dicho de otra forma sustancia es el tipo de materia que forma los cuerpos. Actividad Del siguiente listado de palabras, coloque en la columna que corresponda lo que sea cuerpo y lo que sea materia. Cobre silla oro vidrio camisa almohadón Oxigeno plástico agua anillo cable pecera Cuerpo Materia 5 La materia ser presenta generalmente en forma de cuerpo. Por eso decimos que un cuerpo material es toda porción limitada de materia. Los distintos tipos de materia que constituyen los cuerpos reciben el nombre de sustancia. Dicho de otra forma: sustancia es el tipo de materia que forma los cuerpos. Objeto Clavo Vaso Sustancia Hierro vidrio agua Actividad Unir con flecha el cuerpo con la materia que puede formarlo. Mesa Acero inoxidable Plástico Vaso vidrio Agua Juguete aceite Propiedades de la materia Hay características o propiedades que el ser humano capta a través de los sentidos: olor, color, sabor, brillo, textura. Estas características reciben el nombre de caracteres organolépticos. Es decir, que estos caracteres son aquellas características de la materia que se puede captar y analizar con nuestros sentidos. Actividad Enumere los caracteres organolépticos de un jugo de naranja. Poner en funcionamiento los órganos de sus sentidos. …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………. 6 Propiedades intensivas y extensivas La materia puede clasificarse según sus propiedades en: a. Propiedades intensivas: no varían de acuerdo a la cantidad de su masa. Por ejemplo: color, sabor, olor, textura, punto de ebullición, punto de fusión, etc. b. Propiedades extensivas: varían si se toma una cantidad mayor o menor de materia. Por ejemplo: peso, longitud, volumen, etc. Ejemplo 1 litro de agua 2 litros de agua El peso y el volumen en los dos recipientes cambiaron. El peso y volumen son propiedades extensivas porque varian de acuerdo con la cantidad de agua en un caso y el otro. El color, olor y sabor del agua son los mismo en los dos recipientes. El olor, el color y el sabor por lo tanto son propiedades intensivas porque no cambian por la cantidad de agua. 7 Actividad Complete el siguiente cuadro aplicando las propiedades de la materia. Por ejemplo:……………………………….. Por ejemplo:………………………. Estados de la materia ¿Cómo aparece la materia en la naturaleza? Los estados de la materia son tres: solido, líquido y gaseoso. Estos estados reciben el nombre de estados físicos de la materia. Actividad Clasifique las siguientes sustancias según su estado físico o de agregación: petróleo, arena, cobre, oxigeno, cal, agua de rio, nafta y aire. Sólido Liquido Gaseoso Propiedades de la materia Propiedades extensivas Propiedades…………... Se llaman así a las propiedades que………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… ……………………………………… …………….. Se llaman así a las propiedades que no varían según la cantidad de materia, como los caracteres organolépticos. 8 Modelo Cinético Molecular Para explicar el comportamiento de la materia, los científicos recurren a un modelo llamado modelo cinético molecular, que hace referencia al movimiento (cinético) de las partículas que la forman (moléculas). 1. La materia está formada por partículas extremadamente pequeñas. Las partículas pueden estas más o menos separadas entre sí y entre ellas hay espacios vacios. las partículas pueden tener distintas formas, masas y tamaños. Estas partículas pueden ser: Átomos Moléculas Iones 2. Todas las partículas tienen movimiento Sólido Liquido Gaseoso Los átomos son la menor porción de sustancia que puede combinarse. Las moléculas son la menor porción de una sustancia que conserva sus propiedades. Los iones son átomos con carga eléctrica positiva o negativa. El movimiento es de vibración (están temblando). Las partículas vibran, rotan y se desplazan a distancias cortas (están resbalando). Además de los movimientos anteriores, las partículas se mueven en cualquier dirección hasta que chocan con un obstáculo y rebotan (están volando). 9 En consecuencia: En los sólidos, las moléculas tienen una fuerte atracción entre si. Los espacios entre ellas son pequeños y su estructura es más bien rígida. Lo sólido tieneforma y volúmen propio. En los líquidos, la atracción de las partículas es menor que en los sólidos. Sus moléculas no tienen estructuras fija. Un líquido adopta la s forma del recipiente que l contiene. tienen volumen propio. En los gases, las partículas tienen atracción mínima y su distribución en el espacio es muy desordenada. Los gases no conservan ni su forma ni su volumen. Actividad a. Complete el siguiente cuadro: Estado en que se presenta la materia ¿Tiene forma? ¿Cómo es su volúmen? Ejemplo Solido Tiene forma propia Liquido Aceite- Agua Tiene volúmen variable Oxigeno b. Indique en las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Jusitique su respuesta. En los sólidos las moléculas se mantienen unidas debido a que la fuerza de atracción entre ellas es muy grande: V o F ¿Porqué?............................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 10 c. Según el modelo cinetico molecular, las particula de un solido no pueden moverse . V o F ¿Porqué?............................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... d. Según el modelo cinético molecular, las particulas que forman un gas se mueven en cuaqluier direccion hasta que chocan con un obstaculo y rebotan, parecen estar volando. V o F. ¿Porqué?............................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... Sistema En las ciencias naturales, se dice que un conjunto de cuerpo – o las partes que forman un cuerpo – se denomina sistema. Un sistema es un conjunto de elementos o partes coordinadas y relacionadas que interactúan y cumplen una función. Por ejemplo: La idea de sistema nos permite focalizar nuestra atención y entender mejor lo que sucede en la naturaleza. Energía Los sistemas se hallan en continuo cambio. Pero ¿por qué cambian los sistemas? Para poder responder esta pregunta, se debe recurrir al concepto de energía. Energía es la capacidad que tiene un sistema para producir cambios o transformaciones en si miso o en otro sistema. 11 Todos los fenómenos naturales o creados por el hombre producen cambios, por más pequeños que sean y aunque demoren mucho en producirse. Dicho de otra manera, la energía aparece permanentemente en nuestra vida, por ejemplo: Para pensar, respirar, caminar necesitamos la energía de los alimentos. Una planta crece gracias a la energía del sol. La energía eléctrica nos permite alumbrar de noche. La energía del viento mueve las aspas de un molino. Tipos de energía Actividad Mencione los tipos de energía que conoce …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………. 12 . Energía solar: es la proporcionada por el Sol. Se produce en todas las estrellas como consecuencia de la fusión nuclear. Se liberan grandes cantidades de energía que llegan a la Tierra en forma de energía radiante. Energía eólica: es la que posee el viento. Energía cinética: es la que poseen los cuerpos en movimiento. Energía potencial gravitatoria: es aquella energía que poseen los cuerpos con masa al estar en cierta altura de la Tierra. Energía química: es la que poseen las sustancias debido a su composición molecular. Energía sonora: es la portada por las ondas sonoras. Energía luminosa: es la portada por las ondas luminosas. Energía nuclear: es la que poseen las sustancias en su núcleo atómico. Energía hidroeléctrica: es la energía de una caída de agua que es transformada en energía eléctrica. Energía radiante: es la irradiada por los cuerpos calientes. Energía Solar Energía cinética Energía potencial Energía eléctrica Energía atómica Energía térmica Energía química 13 Energía térmica: es la producida por el movimiento molecular. Energía fósil: es la contenida en las sustancias procedentes de la descomposición de la materia orgánica, por ejemplo el petróleo, el gas natural y el carbón. Actividad Mencione algunos ejemplos donde crea que están presentes los distintos tipos de energías mencionados. …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………... Energía potencial y cinética Energía potencial es la energía almacenada que posee un sistema como resultado de las posiciones de sus componentes. Por ejemplo, si se mantiene una pelota a cierta altura del suelo, el sistema formado por la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial llamada gravitatoria. Esta surge de la atracción que ejerce la Tierra sobre todos los cuerpos y se la designa con la siguiente sigla (Epg). Cuanto más se eleva la pelota, la energía potencial del sistema aumenta, y cuando la pelota está en el piso, su energía potencial gravitatoria será cero. Actividad Piense si los siguientes cuerpos poseen energía potencial gravitatoria. Marque con una cruz, según corresponda. Una hoja cayendo de un árbol en otoño. Si No Un paracaidista que se lanza de un avión. Si No Una hormiga caminando por el césped Si No La mesa del comedor Si No 14 La energía potencia es energía almacenada en los cuerpos. La energía potencial no es solo la gravitatoria. También la energía eléctrica, química, elástica, nuclear, son energías potenciales. Por ejemplo, cuando comprimimos un resorte, éste almacena energía potencia y cuando lo soltamos, su energía potencial es cero. Actividad ¿Los siguientes sistemas tienen energía potencial? Marque con una cruz, según corresponda. 1. Un arco tensado para dispara una flecha . Si No 2. la flecha. Si No 3. Un elástico estirado. Si No 4. Un alambre de una cerca. Si No Básicamente, la energía potencial depende del peso del cuerpo y de la posición en que se encuentra. Así, por ejemplo, una pelota que este a tres metros de altura tiene una energía potencial mayor que si esa misma pelota se encontrara a un metro del piso. La energía cinética es la energía que un objeto posee debido a su movimiento. Diremos también que un cuerpo se mueve cuando cambia su posición a través del tiempo,o sea que tiene velocidad. Se la simboliza con la sigla (Ec). Por ejemplo, sabemos que si vamos en un auto a 100 km/h significa que recorreremos 100 km en una hora y sin duda estamos en movimiento, por lo tanto hay energía cinética. La energía cinética depende directamente de la masa y la velocidad del objeto. Por lo tanto, al aumentar la masa y/o la velocidad de un cuerpo, aumenta su energía cinética. Actividad Responda 1. Todos sabemos que si vamos a 100 km/h, la velocidad es mayor que si lo hacemos a 50 km/h. ¿En cuál de los dos casos hay mayor energía cinética? …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… 15 2. Piense en un camión y en un automóvil que viajan a la misma velocidad. ¿Cual tiene más energía cinética? …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… 3. Imaginemos dos camiones iguales, que viajan a distintas velocidades. ¿Cuál de los dos es el que tiene mayor energía cinética? …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Transformaciones de la energía - cadenas de transformaciones La energía potencial se manifiesta de diferentes formas y también se transforma en otros tipos de energías. Energía sonora Energía cinética Energía térmica Energía térmica Energía potencial 16 Por ejemplo: Un explosivo tiene energía potencial química que se transforma en calor, luz y energía cinética al ser detonado. Un martillo a una cierta altura tiene energía potencial, si cae gradualmente esa energía potencial se ira transformando en cinética. El roce con el aire le hará perder energía térmica. El sonido provocado al tocar el suelo también es energía potencial transformada, el suelo se calienta. La energía potencial de una piedra al caer se transforma en energía cinetica. Actividad 1) En las siguientes situaciones, señale que trasformaciones de energía se producen Un joven estira su arco, lo tensa y la flecha sale con gran velocidad. La energía potencial elástica del arco tensado se transfiera a la fecha y se transforma en…………………………………………………………….. Doña Marta enchufa la licuadora en el tomacorriente y la cuchilla comienza a girar rápidamente licuando. La energía eléctrica disponible en el toma corriente se convirtió en…………………………………de la cuchilla. Cuando uno se baña en la ducha, el agua baja desde la regadera al piso. La energía Epg del agua se transforma en energía………………………. a mediad que va cayendo. En la naturaleza se producen constantemente transformaciones de energía, es decir cantidades de energía que pasan de una forma a otra. 17 Cambios de Estado de la Materia En determinadas condiciones de temperatura y presión, una sustancia se presenta en un estado físico determinados, pero si se modifican las condiciones, esta puede pasar a un nuevo estado físico. Por ejemplo: En muchas ocasiones habrá sacado un cubito de hielo de la heladera y lo dejo afuera. ¿Que sucedió? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Esto sucede porque: Si un sólido recibe mayor temperatura, sus partículas (o moléculas) se moverán más rápidamente (aumenta la energía cinética). Las fuerzas de atracción disminuyen y las moléculas empiezan a desplazarse. Entonces la sustancia se ha convertido en líquido. Cuando sacamos un cubito de hielo de la heladera y lo dejamos afuera, pasa de estado sólido a estado liquido. El cambio se denomina: El punto de fusión es la temperatura en la que una sustancia pasa de estado sólido a estado liquido. 18 Por ejemplo: el punto de fusión del agua es de 0° C. al colocar a hervir agua en una tetera, ¿qué se puede observar al cabo de un rato? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Esto sucede porque: Si la temperatura sigue aumentando, las moléculas aumentaran aun mas su energía cinética hasta que las fuerzas de atracción entre ellas disminuyan y, finalmente, las moléculas puedan liberarse unas de otras. Ahora la sustancia está en estado gaseoso. Cuando calentamos aguan, al hervir, se forma vapor de agua. Para de estado líquido a estado gaseoso. Cuando lavamos y colgamos la ropa para que se seque, también el agua pasa de estado liquido a estado gaseoso. El cambio se denomina: Seguramente habrá visto lo que ocurre con los vidrios de un salón o habitación los días de frio intenso. ¿Podría describir ese fenómeno? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Esto sucede porque: Si se disminuye la temperatura de la sustancia en estado gaseoso, disminuye la energía cinética y las distancias entre las moléculas. Aumenta, entonces, la fuerza de atracción pudiendo mantenerse unidas. La sustancia pasara al estado líquido. 19 Cuando se empañan los vidrios en un día muy frio, el vapor de agua que hay en el aire se condensa. Pasa de estado gaseoso a estado liquido. El cambio se denomina: ¿Qué sucede al cabo de unas horas de colocar agua en el congelador? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Esto sucede porque: Si disminuye aun más la temperatura, al moverse más lentamente las moléculas, la distancia entre ellas sigue disminuyendo. La fuerza de atracción aumentara hasta llegar a ocupar posiciones fijas. La sustancia se ha convertido en un sólido. Cuando colocamos agua en el congelador se forma hielo. Pasa de estado liquido a estado sólido. El cambio se denomina: Los vendedores de helados llevan los helados dentro de un conservador con hielo seco. ¿Ha observado que sucede con el hielo seco al dejarlo a la temperatura del ambiente?……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 20 El hielo seco a temperatura ambiente se transforma en gas sin pasar por el estado líquido. Este paso de estado sólido a estado gaseoso, sin pasar por el estado liquido se denomina sublimación. En consecuencia, a temperatura de ambiente el hielo seco sublima. Sublimación Sublimación También al proceso inverso se lo denomina sublimación, es decir, al paso de estado gaseoso a estado sólido, sin pasar por el estado liquido. Sublimación Sublimación 21 Propiedades físicas y químicas de la materia Las propiedades físicas son las que se pueden determinar sin que haya cambio o transformación en la materia, como el punto de ebullición, densidad, punto de fusión. Por ejemplo: que el oro sea amarillo, que conduzca la electricidad y que se funa a 1063°C, son tres de sus propiedades físicas, ya que en la determinación de esas propiedades no se forma ninguna sustancia nueva. Las propiedades químicas son las que se manifiestan cuando hay cambio o transformación en la materia, como la combustibilidad. Por ejemplo, cuando un combustible como la madera se quema al combinarse con el oxigeno del aire, se transforma (entre otras sustancias) en dióxido de carbono y vapor de agua. Esta reacción de combustión es una propiedad química, ya que implica la formación de nuevas sustancias. Actividad Responda verdadero o falso. Justifique la respuesta. a. El cuerpo del nadador posee energía cinética cuando está a punto de lanzarse del trampolín. V oF Porque?....................................................................................................................... .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... b. La energía cinética del cuerpo aumenta al tirarse a la pileta. V o F Porque?....................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 22 Sistemas Materiales Es evidente que resulta imposible estudiar todo lo que nos rodea al mismo tiempo. Por eso, necesitamos aislar de modo real o imaginario un cuerpo o un conjunto de cuerpos para poder estudiarlos. Así, podemos analizar el agua de un rio, una muestra de suelo, un cubito de hielo, un pedazo de madera, etc. Todas estas porciones mencionadas, cuando son sometidas a un estudio experimental, reciben el nombre de sistemas materiales. Todo lo que rodea a un sistema material lo denominaremos universo o medio ambiente. Tipos de Sistemas Materiales Los sistemas materiales se clasifican considerando distintos criterios, es decir, según donde centremos nuestra observación: Según los cambios de materia y energía con el medio ambiente. Según las propiedades intensivas de la materia. Clasificación de los sistemas materiales según su intercambio de materia o energía con el medio ambiente. Este criterio permite distinguir entre sistemas abiertos, cerrados y asilados. Un sistema material es abierto cuando permite el intercambio de materia y energía con el medio ambiente. Por ejemplo, si colocamos agua fresca en un recipiente destapado, al cabo de un tiempo, el agua se va evaporando y pasa al medio que la rodea, es decir que se produce un intercambio de materia con el medio. Además varia su temperatura (adquiere la temperatura del ambiente) debido a que se intercambia energía con el medio. Un sistema material es cerrado cuando solamente puede intercambiar energía con el medio ambiente. Por ejemplo, si el recipiente con agua estuviera tapado, el agua no puede evaporarse al medio ya que se lo impide la tapa ( no intercambia material). Pero si adquiere la temperatura del ambiente (intercambia energía). 23 Un sistema material es aislado cuando no intercambia materia ni energía con el medio ambiente. Por ejemplo, si se coloca agua en un termo. La realidad no siempre responde estrictamente a la definición. No existen paredes absolutamente aislantes, que impidan totalmente el intercambio de energía con el medio. Actividad 1. complete el siguiente cuadro con la clasificación de sistemas Sistema Material Un sistema es abierto cuando………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… Por ejemplo………………… …………………………………… …………………………………… Un sistema es……….cuando…………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… ……………Por ejemplo …………………………………… …………………………………… …………………………………… Un sistema es …………… cuando………………………… …………………………………… …………………………………… …………………………………… Por ejemplo………………… …………………………………… …………………………………… 24 2. Reflexione y luego responda. Si pensáramos en el hombre como un sistema, ¿Qué tipo de sistema material, seria, según la clasificación anterior? …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… Clasificación de los sistemas materiales según sus propiedades intensivas Sistema homogéneo. Se denominan así cuando las propiedades y composición de la materia son iguales en cualquier punto del sistema. No presenta superficie de separación. Por ejemplo, aire, alcohol disuelto en agua. Sistema heterogéneo. Se denomina así cuando las propiedades y composición de la materia no son iguales en cualquier punto del sistema. Está formado por dos o más porciones diferentes, separadas por superficies definidas través de las cuales las propiedades cambian bruscamente. Por ejemplo, aceite y agua, piedras y arena. Un sistema puede ser homogéneo a simple vista y heterogéneo si lo observamos detalladamente a través del microscopio. Por ejemplo, si observamos la sangre humana con un microscopio vemos que tiene glóbulos rojos diferenciados del suero. Por lo tanto, la homogeneidad y la heterogeneidad de un sistema serán establecidas mediante el microscopio óptico. Con este instrumento se visualizan partículas muy pequeñas (de hasta 10-4 cm de diámetro). Aceite Agua Arena 25 Actividad 1. Haga una lista de cinco ejemplos de sistemas heterogéneos que pueda encontrar en su cocina. ………………………….. …………………………..… ……………………….. ………………………….. …………………………….. 2. Los sistemas que aparecen en la columna de la izquierda del siguiente cuadro son todos homogéneos. Sistemas materiales Están formados por Agua potable Sal común Aire Sobre la base de su experiencia y los conocimientos que ha adquirido: a. Complete la columna de la derecha con los componentes de cada sistema b. Compare sus resultados con los de algún compañero de estudio. c. De acuerdo a la clasificación de los sistemas materiales completar el siguiente cuadro con ejemplos Según la relación entre sistema Según sus propiedades intensivas (materia/energía) y el medio ambiente Abierto Cerrado Aislado Homogéneo Heterogéneo ……….. …………. …………. .. .……………… ……………….. ……….. …………. …………. .. .……………… ……………….. ……….. …………. …………. .. .……………… ……………….. Sistemas materiales 26 Fases y componentes de un sistema material Si observamos un sistema heterogéneo formado por sal común y arena como el de las siguientes imágenes: Mezcla Sal común Arena Se observa que hay porciones que tiene las mismas propiedades: las porciones formadas por sal o aquellas formadas únicamente por arena. Y otras que tienen distintas propiedades: la sal tiene propiedades distintas a la arena. Las porciones que tienen las mismas propiedades, por definición, son sistemas homogéneos, y se las denomina fases del sistema. En el ejemplo que se esta analizando, el sistema tiene dos fases, una formada por la sal y la otra formada por la arena. De esta manera, podemos decir que las fases de un sistema material son las distintas porciones homogéneas que lo forman. Los componentes del sistema son las distintas sustancias que lo constituyen. Siguiendo el ejemplo, el sistema tiene dos componentes: la sal y la arena. está formado por que son las formadas por distintos que son las Sistema Una o más fases Partes Componentes Sustancias 27 Se tiene un recipiente cerrado con agua en estado liquido, solido (hielo) y gaseoso (vapor de agua) como la siguiente imagen: ¿Cuántas fases se observa en este sistema? .......................................................................................................................................... ........................................................................................................................... ¿Cuántos componentes tiene? ..................................................................................................................................................................................................................................................................... Este sistema está formado por tres fases: agua líquida, hielo y vapor de agua. En cambio, posee un solo componente: la sustancia agua. Considerando el número de fases de un sistema material, podemos decir: Sistema homogéneo: es aquel formado por una sola fase. Sistema heterogéneo: es aquel formado por dos o más fases. El siguiente cuadro resume las características de los sistemas materiales homogéneos y heterogéneos: Sistema Homogéneo Heterogéneo Propiedades Iguales en todos los puntos Distintas en por lo menos dos puntos. Fases Monofásicos: una sola fase Polifásicos: dos o más fases. Componentes Uno o mas componentes Uno o más componentes. 28 Actividad 1. Clasifique los siguientes sistemas en homogéneos o heterogéneos. a. Tiza, sal y yerba……………………………………….. b. Agua azucarada……………………………………….. c. Clavo de hierro………………………………………… 2. Indique cuantas fases tienen cada uno de esos sistemas y cuales son: a. ………………………………………………………………………… b. …………………………………………………………………………. c. …………………………………………………………………………. 3. Indique cuanto componentes tiene y cuales son: a. ………………………………………………………………………… b. …………………………………………………………………………. c. …………………………………………………………………………. Sustancias puras y soluciones Considerando la cantidad de componentes que poseen los sistemas materiales homogéneos, se los clasifica en sustancias puras y soluciones. Según la cantidad de sus componentes Las sustancias puras son aquellas que no se pueden fraccionar, esta formados por un solo componente, por ejemplo, agua cobre, oxigeno, etc. Las sustancias puras pueden ser simples o compuestas. Sistemas homogéneos Sustancias puras Ejemplo: hierro Soluciones Ejemplo: agua azucarada 29 Sustancias puras simples: están formadas por átomos iguales y no se pueden descomponer en otras más sencillas. Ejemplo: carbono (C), oxigeno (O2). Sustancias puras compuestas: están formadas por átomos distintos. Ejemplos: cloruro de sodio, sal común de mesa (NaCl), agua (H2O). Además se pueden descomponer mediante proceso químicos. Por ejemplo, el agua (H2O) se puede descomponer en hidrogeno (H2) y oxigeno (O). Actividad Dadas las siguientes sustancias, clasifíquelas en sustancias puras simples o sustancias puras compuestas: a. Acido muriático (HCl)………………………………………………………… b. Nitrógeno (N)………………………………………………………………….. c. Carbono (C) …………………………………………………………………… d. Monóxido de carbono (CO)………………………………………………….. Las soluciones son aquellos sistemas homogéneos que se pueden fraccionar; están formadas por más de un componente. Por ejemplo, sal disuelta en agua, aire, etc. Por un acuerdo, al componente que se encuentra en mayor proporción se lo llama solvente y al /los que se encuentra/n en menor proporción se lo/s denomina soluto/s. En el caso de la sal disuelta en agua, la sal es el soluto y el agua es el solvente. Las soluciones más comunes en la vida cotidiana son las soluciones acuosas, es decir, aquellas en que el solvente es el agua. En el cuerpo humano y en otros organismos vivos, las reacciones se producen en un medio acuoso. Actividad Dadas las siguiente soluciones, indique el soluto y el solvente: a. Fernet con cola……………………………………………………………… b. Agua con limón……………………………………………………………… c. Caldo disuelto en agua………………………………………………………. 30 Resumen Pueden ser Tiene más de una Tiene una sola Pueden ser Forman las Tienen un solo Tienen dos mas Tiene uno o mas Actividad 1. Clasifique los siguientes sistemas en homogéneos o heterogéneos a. Arena y piedras………………………………………………………….. b. Agua salada ……………………………………………………………… Luego indique cuantas fases tiene estos sistemas y cuales son a. …………………………………………………………………………….. b. …………………………………………………………………………….. Sistemas Materiales Heterogéneos Fase Homogéneo Sustancia Puras Soluciones Componentes 31 2. Clasifique los siguientes sistemas homogéneos en soluciones y sustancias puras. Escriba las palabras sustancia pura simple o sustancia pura compuesta, según corresponda. En el caso de las soluciones, indique cual es el solvente y cuál es el soluto. Fosforo (P) Sal común disuelta en agua Cloruro de sodio (NaCl) Agua (H2O) Nitrógeno (N2) Azúcar disuelta en agua Métodos de separación de fases y fraccionamiento de componentes Tamización: se emplea para separar dos sólidos cuyas partículas son de diferente tamaño. Por ejemplo: arena y piedras. Se utiliza un tamiz (colador). Las partículas de mayor tamaño quedan retenidas en el tamiz y dejan pasar a las de menor tamaño. Eso hacemos cuando tamizamos harina. Cuando vemos, las fases de un sistema si pueden separarse y se puede volver a tener los componentes que lo forman. Según las características del sistema heterogéneo que queramos separar, será el método de separación que se usará. 32 Filtración: permite separar un sólido en polvo de un líquido, utilizando como material filtrante papel de filtro o arena, entre otros. Esto sucede, por ejemplo, cuando filtramos el café para separarlo de la borra. Frecuentemente, la filtración, constituye la primera etapa del tratamiento del agua que llega a los hogares, ya que separa la materia solida contenida en el agua. Decantación: separa líquidos de diferentes densidades que no se mezclan (no miscibles), para lo cual se utiliza la ampolla o embudo de decantación. También se utiliza para separar un sólido de un líquido. Métodos de fraccionamiento Destilación: consiste en calentar el sistema para lograr la evaporación de uno de los componentes de la solución y luego condensar los vapores. La destilación puede ser simple o fraccionada Destilación simple se usa para separar un sólido de un líquido, por ejemplo las sales de agua potable. (obtención de agua destilada). 33 Destilación fraccionada se utiliza para separar los componentes de una solución formada por dos líquidos de distinto punto de ebullición, por ejemplo la nafra del petróleo. Uno de los métodos de fraccionamiento más empleados en la industria química, alimentaria, farmacéutica y petroquímica es la destilación. Tema 2: Tabla Periódica y Uniones Químicas Ya se menciono que las cosas están constituidas de materia, esta tiene propiedades como masa, peso y ocupan un lugar en el espacio. Por lo tanto se llega a la conclusión que todos los cuerpos están hechos de materia. Pero surgen otros interrogantes: ¿De qué está hecha la materia?, ¿Qué parte la forma?, que pasa cuando porciones de materia se combinan entre sí? En esta unidad se estudiara la composición mas interna de la materia, es decir, los átomos ¿QUE ES UN ÁTOMOS? Los átomos son las unidades de materia. Un átomo es una partícula más pequeña de un elemento químico que aun mantienen las propiedades de dicho elemento. Hoy se sabe que los átomos están formados por protones, neutrones y electrones. Los primeros en estudiar la composición de la materia fueron los griegos; a lo largo del tiempo los científicos, intentaron explicar acerca de la estructura del átomo, de esta forma surgieron diferentes teorías o modelos que detallan la estructura y propiedades de los átomos. Entre los primeros y más representativo es el modelo de J. Dalton, y a partir de este, se fueron mejorando a medida que se producían nuevos descubrimientos y la tecnología disponible aumentaba; hasta llegar alactual modelo de Schrödinger. A continuación se realiza una breve descripción de cada uno. . Teoría atómica de Dalton En 1803, Dalton (1766-1844) formula su teoría atómica, con la que trataba de explicar las leyes químicas conocidas hasta esta fecha. Dicha teoría fue admitida por los 34 hombres de ciencia hasta principios del siglo XX, en que, como consecuencia de nuevos descubrimientos, surgió la necesidad de desarrollar nuevas teorías. La teoría atómica de Dalton se resume en los siguientes puntos: La materia es discontinua. Está formada por partículas materiales independientes llamadas átomos, los cuales son indivisibles. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí tanto en masa como en propiedades físicas y químicas. Los átomos de elementos diferentes son distintos en cuanto a masa y demás propiedades. Los compuestos se forman por la unión de átomos de los elementos correspondientes, en una relación numérica sencilla. Hoy se sabe que ninguno de estos postulados es completamente cierto; sin embargo, Dalton contribuyó enormemente a entender cómo estaba formada la materia. Modelo Atómico de Thomson Fue reconocido en el mundo por dar las primeras luces sobre la configuración de protones y electrones dentro de la estructura del átomo. Mediante esta propuesta, Thomson sugirió que los átomos eran uniformes y contenían carga positiva de forma homogénea, con incrustaciones aleatorias de electrones dentro de cada átomo. Para describirlo, Thomson comparó su modelo con el budín de ciruelas. Este símil se empleó posteriormente como un nombre alternativo del modelo. Sin embargo, debido a varias inconsistencias (teóricas y experimentales) sobre la distribución de las cargas eléctricas dentro del átomo, el modelo de Thomson fue descartado en 1911. Modelo Atómico de Rutherford Para Ernest Rutherford, el átomo era un sistema planetario de electrones girando alrededor de un núcleo atómico pesado y con carga eléctrica positiva. Características: El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que contiene casi toda la masa del átomo. 35 Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas circulares. La suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamente neutro. Rutherford no solo dio una idea de cómo estaba organizado un átomo, sino que también calculó cuidadosamente su tamaño (un diámetro del orden de 10-10 m) y el de su núcleo (un diámetro del orden de 10-14m). El hecho de que el núcleo tenga un diámetro unas diez mil veces menor que el átomo supone una gran cantidad de espacio vacío en la organización atómica de la materia. Modelo Atómico de Bohr El físico danés Niels Bohr (Premio Nobel de Física 1922 ) , propuso un nuevo modelo atómico que se basa en tres postulados: Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas describiendo solo determinadas regiones conocidas como orbitas. En el átomo, los electrones se organizan en capas y, en cada capa tendrían una cierta energía, llenando siempre las capas inferiores y después las superiores. La distribución de los electrones en las capas la denominó configuración electrónica. Modelo Atómico de Schrödinger El modelo atómico de Schrodinger es un modelo cuántico no relativista. En este modelo los electrones se contemplaban originalmente como una onda estacionaria de materia cuya amplitud decaía rápidamente al sobrepasar el radio atómico Eliminó el concepto de los electrones como esferas diminutas con cargas que giraban alrededor de órbitas. Representa la probabilidad de la presencia del electrón en orbitales. 36 Esquema de un Átomo Tabla Periódica ¿QUÉ ES UN ELEMENTO QUÍMICO? Es una sustancia pura que no puede ser descompuesta en sustancias más simples mediante reacciones químicas. Un elemento químico está formado por átomos, todos del mismo tipo, y se caracteriza por su número atómico. Los elementos químicos se representan mediante símbolo. 37 Tabla periódica de los elementos Para identificar rápida e inequívocamente los elementos químicos, formular y nombrar las sustancias químicas y plantear reacciones químicas, fue necesario crear una simbología y una terminología de alcance universal más allá de los diferentes idiomas. La tabla periódica de los elementos se le atribuye a Dimitri Mendeleiev; clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos químicos, conforme a sus propiedades y características; su función principal es establecer un orden específico agrupando elementos. La tabla periódica divide a los elementos en columnas denominadas grupos y en hileras o filas horizontales denominadas periodo. Los elementos de un mismo grupo tienen en general valencias semejantes lo que significa que sus características o propiedades son similares entre sí. Los elementos que pertenecen a un mismo periodo tienen propiedades diferentes pero masas similares. Las filas que ocupan una posición fuera de la tabla periódica ocupan este lugar porque no pueden ser incluidas en los periodos 6 y 7. Los elementos químicos se ordenan según su número atómico. Los elementos de una columna constituyen un grupo (18). Los elementos de una fila horizontal constituyen un periodo (7). 38 Los grupos a su vez se dividen en tres grandes grupos: Elementos Representativos Elementos de transición Elementos de transición interna Elementos Representativos (se representan con A) Comprenden los elementos marcados como A. Van de 1A al 8ª. Incluye metales y no metales (metaloides). Clasificados en ocho grupos o familias. Cada grupo o familia presenta propiedades físicas y químicas similares. Elementos de transición (se representan con B) Se representan con la letra B. Van de la serie IB a la VIIIB. Organizados en 4 series. Todos los elementos son metales. Son duros resistentes. Brillantes, dúctiles y maleables. Se caracterizan por formar compuestos coloreados. Se encuentran las triadas. 39 Elementos de transición interna Constituido por 2 series horizontales de 14 elementos cada una. Se ubican en el 6 y 7 periodo. Todos son metales. La 1° serie se localiza después del lantano: Lantánidos. La 2° serie se localiza después del actinio: Actínidos. Propiedades periódicas Radio atómico Se mide en angstroms ( = 10-12 m) y se determina experimentalmente. Disminuye de izquierda a derecha en un período, por la atracción que ejerce el número creciente de protones sobre los electrones, y en un grupo aumenta de arriba hacia abajo, ya que en ese sentido aumenta el número cuántico principal y, por lo tanto, el tamaño de los orbitales. 40 Energía de ionización Es la energía necesaria para convertir a un átomo en estado gaseoso en un catión. Aumenta de izquierda a derecha por el aumento del número de protones y de abajo hacia arriba, en un grupo, porque los átomos se hacen más pequeños y los electrones son más fuertemente atraídos. Electronegatividad Es la tendencia del átomo a captar electrones cuando participa de una reacción química. Al flúor, el elemento más electronegativo, se le asigna un valor arbitrario de electrones de 4,0. Aumenta de izquierda a derecha en un periodo, y de abajo hacia arriba, en un grupo. Afinidad electrónica Es la energía desprendida cuando un átomo gaseoso y neutro en su estado fundamental capta un electrón. En un grupo aumenta de abajo hacia arriba y en un periodo aumenta de izquierda a derecha. Actividad 1. Responda las siguientespreguntas relacionadas con la distribución e interpretación de la tabla periódica. ¿Qué nombre reciben las filas horizontales de la Tabla periódica? a) Filas b) Rayas c) Grupos d) Periodos e) Columnas 41 ¿Y las filas verticales? a) Filas b) Rayas c) Grupos d) Periodos e) Columnas 2. ¿Qué nombre reciben los elementos de la parte media de la Tabla periódica? a) Metales b) Elementos c) Transuránidos d) Grupo principal e) Elementos de transición 3. ¿En un periodo, el radio atómico? a) No cambia b) Cambia al azar c) Normalmente aumenta d) Normalmente disminuye e) Crece y disminuye alternativamente 4. ¿En un grupo, el potencial de ionización? a) Aumenta b) No cambia c) Disminuye d) Cambia al azar e) Crece y disminuye alternativamente 5. Los elementos de transición interna: a) Son radiactivos b) No son radiactivos c) Tienen el mismo color e) No pueden situarse en la Tabla periódica 6. Ordene razonadamente los siguientes elementos: Fe, Cs, F, N y Si de menor a mayor teniendo en cuenta: su radio atómico, electronegatividad y afinidad electrónica. 42 Uniones Químicas Los átomos siempre se unen formando grupos que resultan más estables que el átomo aislado. Estas uniones se producen por la acción de fuerzas electrostáticas entre núcleos y electrones. Se llama enlace químico al conjunto de fuerzas que mantienen unidos a los átomos, iones y moléculas. Cuando un átomo se une a otro, toma, entrega o comparte uno o más electrones para formar una estructura estable. Gilbert Lewis y Walter Kossel propusieron la teoría del octeto: “Todos los átomos tienden a poseer la estructura del gas noble más cercano a la tabla periódica, adquiriendo así su máxima estabilidad. Es decir que tienden a completar su último nivel de energía con ocho electrones”. Existe tres tipos de uniones entre átomos: iónica, covalente y metálica. El tipo de unión que se presenta en un determinado compuesto dependerá de la electronegatividad de los átomos que interviene, o sea, de capacidad para atraer electrones. Enlace iónico El enlace iónico ocurre entre metales y no metales: uno o más electrones del átomo metal se transfiere al átomo no metal (más electromagnético). De esta forma se forman los compuestos iónicos, es decir, constituidos por iones (átomos con carga eléctrica). Los iones cargados positivamente se llaman cationes y los cargados negativamente, aniones. Por ejemplo, el cloruro de sodio es una sal formada por la unión de átomos de cloro y sodio que forman los iones Na+ y Cl-. 43 Los iones se organizan en redes cristalinas tridimensionales, de modo que cada anión se encuentra rodeado de cationes, y viceversa. De este modo, las fuerzas de atracción entre iones de diferente carga son máximas, mientras que las de repulsión entre iones de igual carga son mínimas. Lewis creó una formula simplificada para representar estos compuestos, en la cual se indican como puntos o cruces solo los electrones de la ultima capa. Se llaman estructuras de Lewis. Por ejemplo la estructura de Lewis para el cloruro de sodio es: Propiedades Son sólidos a temperatura ambiente, con altos puntos de fusión y ebullición. Son solubles en solventes polares como el agua. Como los electrones se encuentran retenidos dentro de la estructura cristalina, no conducen la corriente eléctrica. Sin embargo, si se disuelven en agua, los electrones se liberan de la red y la sustancia se vuelve conductora. Enlace covalente Este enlace se da entre los no metales. La unión se produce cuando dos átomos comparten sus electrones. Cada par compartido se considera una unión covalente. Existen varios tipos de enlaces covalentes: Enlace covalente común: los electrones que intervienen son aportados por ambos átomos participantes. 44 Enlace covalente dativo o coordinado: el par de electrónico compartido es aportado por uno de los átomos que interviene en la unión. Propiedades Casi ninguna sustancia conduce la corriente eléctrica. Forman moléculas de diferentes tamaños y, en algunos casos, redes cristalinas covalentes, como el grafico y el diamante. Tienen puntos de fusión y ebullición variables, que dependen de las fuerzas de atracción entre las moléculas. Enlace metálico El enlace metálico ocurre entre metales. Se forman redes metálicas en las que participan cationes, electrones libres y átomos sin ionizar, pero nunca aniones. Los cationes se rodean de electrones libres que van pasando de los átomos neutros a los cationes. Propiedades Son muy buenas conductoras de la electricidad por la presencia de electrones libres en su estructura. Presentan brillo metálico porque reflejan la luz que inciden en ellos. 45 Son maleables (pueden formas laminas delgadas) y muy resistentes a la tensiones. Sus puntos de fusión y ebullición son variables, pero menores que en los compuestos iónicos. Tipos de enlace – Resúmen Actividad 1. Que es un enlace químico? 2. Porque se forman los enlaces químicos? 3. Que característica presenta la Teoría del octeto? 4. Sustancias iónicas: a. En qué tipo de átomos se presentan? b. En qué consiste? c. Que estructura presentan las sustancias? 46 d. Que propiedades más significativas presentan? 5. Enlaces covalentes ¿Qué estructura presentan estas sustancias? 6. Enumere las propiedades más significativas de los enlaces covalentes 7. Entre qué tipo de átomos se presenta un enlace metálico? a. Que estructura presentan estas sustancias? b. Que propiedades más significativas presentan? Tema3: Nomenclatura. Balanceo de Ecuaciones Nomenclatura La nomenclatura química (del latín nomenclatura) es un conjunto de reglas o formulas que se utilizan para nombrar todos los elementos y los compuestos químicos. Existen tres tipos de nomenclaturas que nos permiten nombrar los compuestos químicos inorgánicos: Nomenclatura Sistemática: Normas propuesta por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada IUPAC. Utiliza prefijos griegos para indicar el número de átomos en la fórmula. Por ejemplo: 47 Nomenclatura de Stock: Cuando el elemento tiene más de una valencia, se indica mediante números romanos. Nomenclatura Tradicional: Utiliza prefijos y sufijos para indicar las distintas valencias de los elementos. Por ejemplo: Además, se debe tener en cuenta que algunos elementos cambian su raíz: Formulación: Se escribe el símbolo químico del elemento X, seguido del subíndice n que indica el número de átomos que contiene la molécula (Xn) Los átomos aislados pueden considerarse moléculas monoatómicas y para simplificar se omite en ellas el subíndice n=1, pues su presencia se sobreentiende. 48 Ejemplos: a. b. 49 Compuestos Binarios: Óxidos: son combinaciones del oxígeno con un metal. El oxígeno es el elemento más reactivo de la Tabla Periódica. Se combina con casi todos los elementos químicos para dar óxidos. El oxigeno tiene valencia 2 (se combina con dos átomos vecinos). Ejemplo: Nomenclatura de IUPAC: Se los nombra de derecha a izquierda. Consiste en nombrar el número de cada átomo con prefijos numéricos. Prefijo + átomo derecha del prefijo + átomo izquierda. Ejemplo: Formulación: Nomenclatura de Stock: Indica entre paréntesis y en números romanos la valencia del elemento que contenga el oxido (el elemento de la izquierda). En el caso que el elemento tenga una única valencia se puede omitir el número. Oxido de elemento (I, II, III , IV, V, VI, VII). Ejemplo: Formulación: 50 Ejemplos: Hidruros metálicos: Formados por la unión del hidrógeno y un metal. Si el hidrógeno se combina con un metal, y tiene una sola valencia se nombran con las palabras Hidruro de, y el nombre del metal con el que se combina. En las demás nomenclaturas que igual que en el óxidos, lo único que en vez de óxido se pone hidruro. Ejemplos: 51 Formulación: se escribe primero el símbolo del elemento metálico y luego el del hidrógeno (debido a que es más electronegativo que los metales), con sus correspondientes valencias. Se intercambian las valencias, es decir, se coloca como subíndice del hidrógeno la valencia del metal, y en este, la del hidrógeno. Ejemplo: Hidruros no metálicos: Estos compuestos binarios están constituidos por hidrógeno y un no metal. El hidrógeno siempre usa valencia +1. Muchos de ellos tienen nombres especiales de uso más generalizado que los sistemáticos: En este grupo también se encuentran los hidruros no metálicos que forman disolución ácida en agua, se nombran de forma diferente según si están disueltos o en estado puro. Son los formados por S, Se, Te, F, Cl, Br e I. Si están puros se nombran de la forma -uro de hidrógeno y si están disueltos, ácido –hídrico: 52 En la siguiente tabla se muestra ejemplos de estos compuestos según nomenclatura sistemática y tradicional: Formulación: en primer lugar se escribe el símbolo del elemento que aparece antes en la lista, con sus correspondientes valencias. Se intercambian las valencias, que se colocan como subíndices. 53 Sales: Las sales con compuestos binarios que están formados por la combinación de un elemento no metálico (que aporta la valencia negativa) y un compuesto metálico (que aporta la valencia positiva); exceptuando el oxígeno y el hidrógeno que forman óxidos e hidruros, respectivamente. Sales neutra: se forma por la combinación de un metal más un no metal. La sal es compuesto químico formado por cationes (iones con carga positiva) enlazados a aniones (iones con carga negativa). Son el producto de una reacción química entre una base y un acido, la base proporciona el catión y el ácido el anión. En la siguiente tabla se muestra ejemplos de estos compuestos según nomenclatura: Formulación: el símbolo del elemento menos electronegativo se escribe en primer lugar, seguido del más electronegativo, con sus correspondientes valencias. Se intercambian las valencias, que se colocan como subíndices. Si se puede, se simplifican los subíndices. Estos deben ser números enteros y el subíndice 1 no se escribe. 54 Sales Acidas: provienen de una sustitución parcial de los hidrógenos de un ácido que tenga varios, obteniéndose una fórmula del tipo: Nomenclatura: Igual que la sal neutra pero anteponiendo la palabra hidrógeno, indicando con los prefijos el nº de átomos del mismo. Formulación: se escribe primero el nombre del catión y, a continuación, el nombre del anión que contiene algún hidrogeno, intercambiándose como subíndices los números que indican su carga: 55 Iones: Los iones son átomos cargados eléctricamente. Los metales suelen perder electrones formando iones con carga positiva denominados cationes. Los no metales, en cambio, suelen captar electrones formando iones negativos conocidos como aniones. Cationes: un catión es un átomo o grupo de átomos con carga positiva. Los cationes no son sustancias, pero, junto con los aniones, forman parte de las sustancias iónicas. Para nombrar estas “especies químicas” basta anteponer la palabra catión o ion al nombre al nombre del elemento. En los casos en que el átomo puede adoptar distintos estados de oxidación se indica entre paréntesis. Algunos ejemplos son: Hay bastantes compuestos –como, por ejemplo, el amoníaco– que disponen de electrones libres, no compartidos. Estos compuestos se unen al catión hidrógeno, para dar una especie cargada positivamente. Para nombrar estas especies cargadas debe añadirse la terminación –onio tal como se ve en los siguientes ejemplos: Aniones: Se llaman aniones a las “especies químicas” cargadas negativamente. Los aniones más simples son los monoatómicos, que proceden de la ganancia de uno o más electrones por un elemento electronegativo. 56 Para nombrar los iones monoatómicos se utiliza la terminación –uro, como en los siguientes ejemplos: Los aniones poliatómicos se pueden considerar como provenientes de otras moléculas por pérdida de uno o más iones hidrógeno. El ion de este tipo más usual y sencillo es el ion hidroxilo (OH–) que procede de la pérdida de un ion hidrógeno del agua. Sin embargo, la gran mayoría de los aniones poliatómicos proceden –o se puede considerar que proceden– de un ácido que ha perdido o cedido sus hidrógenos. Para nombrar estos aniones se utilizan los sufijos –ito y –ato según que el ácido de procedencia termine en –oso o en –ico, respectivamente. A menudo, para “construir” el nombre del anión, no se reemplazan simplemente las terminaciones oso-ico por ito-ato, sino que la raíz del nombre se contrae. Por ejemplo, no se dice iones sulfurito y sulfurato sino iones sulfito y sulfato. 57 Actividad 1. Complete la siguiente tabla: 2. Complete la siguiente tabla con nombre del compuesto o su fórmula según corresponda: 58 Ecuaciones químicas. Igualación de ecuaciones química En el Universo la materia está sometida a una dinámica de cambio permanente. A diferencia de los cambios físicos, como la evaporación del agua o la disolución de la sal común, (que no implican modificaciones en la composición de la materia); los cambios químicos se suceden por transformación de una o más sustancias en otra u otras diferentes, por ejemplo, la combustión de la nafta de un automóvil, la preparación de caramelo, la fotosíntesis o la obtención de hierro a partir de los minerales. Todos estos cambios químicos se producen mediante reacciones químicas (suceden tanto en la naturaleza como en el ser humano). Reacción química, es la transformación de una o más sustancias iniciales (reactivos) en una o más sustancias finales (producto);”originando no solo el cambio de la composición de la materia, sino también una variación en el contenido total de la energía del sistema”. El intercambio de energía en una reacción suele manifestarse en forma de energía térmica, eléctrica o lumínica. Una ecuación química es una representación simbólica escrita de una reacción química. El o los químicos reactivos figuran al lado izquierdo y el o los químicos que se producen figuran al lado derecho. En general se presentan de esta manera: Por ejemplo, la oxidación del aluminio por combinación con el oxigeno se simboliza de la siguiente manera: 4 Al (s) + 3 O2 (g) 2 Al2O3 (s) ¿Qué indican los números escritos delante de la formula de los reactivos y de los productos? La cantidad de moléculas, átomos o compuestos iónicos que intervienen en la reacción. En el ejemplo anterior, 4 átomos de aluminio (Al) se combina con tres moléculas de oxígeno ( O2 ) para dar dos moléculas de trióxido de aluminio (Al2O3 ). Notaciones más comunes en las ecuaciones químicas y su significado: A + B C + D Reactivo Producto “Se combina con” “ Y ” 59 Símbolo Significado (s) Sólido (l) Liquido (g) gaseoso (aq) En solución acuosaO Calor h .v Luz Se desprende Precipita (…….) Sobre la flecha se suele escribir ciertas condiciones bajo las que ocurren las reacciones, por ejemplo, en presencia de luz, con calor, etc. Tipos de reacciones químicas a. Reacciones de combinación o síntesis: dos o más reactivos se combinan para formar un único producto. A + B C Por ejemplo, el pentóxido de fosforo reacciona con el agua para dar acido fosfórico. P2O5 + 3 H2O 2 H2PO4 b. Reacciones de descomposición: un reactivo se descompone en dos o más productos. A B + C Por ejemplo, el agua oxigenada se descompone para dar agua y oxigeno: 2 H2O2 2 H2O + O2 c. Reacciones de desplazamiento o sustitución: se reemplazan átomos al transformarse los reactivos en productos. AB + CD AC + BD Las reacciones de precipitación y de neutralización son dos ejemplos de est tipo de reacciones. Cuando el yoduro de potasio reacciona con el nitrato de plomo, se produce un precipitado color amarillo de yoduro de plomo: 60 2 KI + Pb(NO3)2 PbI2 + 2 KNO3 Cuando el acido clorhídrico reacciona con el hidróxido de aluminio se forman la sal cloruro de aluminio y agua: 3HCl + Al (OH)3 AlCl3 + 3H2O d. Reacciones de oxido de reducción o redox: los reactivos intercambian electrones. Por ejemplo, el acido clorhídrico “ataca” al hierro produciendo cloruro férrico con desprendimiento de hidrogeno. 2Fe + 6 HCl 2 FeCl + H2 (g) Balanceo de ecuaciones La ley de la conservación de la materia afirma que ningún átomo puede crearse o destruirse en una reacción química, así que el número de átomos que están presentes en los reactivos tiene que ser igual al número de átomos presentes en los productos. Métodos para balancear ecuaciones químicas: 1. Balanceo tradicional: C3H8 + O2 --> H2O + CO2. Esta reacción ocurre cuando el propano (C3H8) se quema en la presencia de oxígeno para producir agua y dióxido de carbono. 2. Anotar el número de átomos por cada elemento que tengas a ambos lados de la ecuación. Observa los subíndices junto a cada átomo para encontrar el número de átomos en la ecuación: Lado izquierdo: 3 de carbono, 8 de hidrógeno y 2 de oxígeno. Lado derecho: 1 de carbono, 2 de hidrógeno y 3 de oxígeno. 3. Siempre dejar el hidrógeno y el oxígeno para el final. 4. Si tienes más de un elemento que quede por balancear, elige el elemento que aparece en una sola molécula de reactivo y en una sola molécula de producto. Esto significa que tendrás que balancear los átomos de carbono primero. 61 5. Agrega un coeficiente al átomo de carbono a la derecha de la ecuación para balancearlo con los 3 átomos de carbono a la izquierda de la ecuación. C3H8 + O2 --> H2O + 3CO2 El coeficiente 3 delante de carbono al lado derecho indica 3 átomos de carbono, tal como el subíndice 3 al lado izquierdo indica 3 átomos de carbono. En una ecuación química, puedes cambiar de coeficientes, pero nunca debes alterar los subíndices. 6. Balancea los átomos de hidrógeno como siguiente paso. Tienes 8 al lado izquierdo, así que necesitarás 8 al lado derecho. C3H8 + O2 --> 4H2O + 3CO2 Al lado derecho, has agregado ahora un 4 como el coeficiente porque el subíndice muestra que ya tenías 2 átomos de hidrógeno. Cuando multiplicas el coeficiente 4 por el subíndice 2, obtienes 8. Los otros 6 átomos de oxígeno vienen de 3CO2. (3 x 2 = 6 átomos de oxígeno + los otros 4 = 10). 7. Balancea los átomos de oxígeno. Debido a que has agregado coeficientes a las moléculas al lado derecho de la ecuación, el número de átomos de oxígeno ha cambiado. Ahora tienes 4 átomos de oxígeno en las moléculas de agua y 6 átomos de oxígeno en las moléculas de dióxido de carbono. Esto da un total de 10 átomos de oxígeno. Agrega un coeficiente de 5 a la molécula de oxígeno al lado izquierdo de la ecuación. Ahora tienes 10 átomos de oxígeno a cada lado: C3H8 + 5O2 --> 4H2O + 3CO2. Los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno están balanceados. Tu ecuación está completa. 62 Actividad Balancear las siguientes ecuaciones: Ecuación Ecuación balanceada Na 2 CO 3 + HCl ---> NaCl + CO 2 + H 2 O Mg 3 N 2 + H 2 O ---> MgO + NH 3 C 5 H 12 + O 2 ---> CO 2 + H 2 O Zn + HCl ---> ZnCl 2 + H 2 Ca (OH) 2 + H 3 PO 4 ---> Ca 3 (PO 4 ) 2 + H 2 O Tema 4: Soluciones Estequiometria: se refiere a las relaciones numéricas entre gramos, moles y partículas elementales en una reacción química. En el lenguaje químico internacional la expresión de una reacción química se llama ecuación química y muestra de una forma sintética lo que ocurre en la transformación. La ecuación química de toda reacción química muestra: 1. Los reactivos y los productos de la reacción mediante sus respectivas fórmulas o símbolos químicos. 2. Los coeficientes estequiométricos que proporcionan las cantidades relativas que intervienen en la reacción química con objeto de hacer cumplir la ley de conservación de la masa (ley de Lavoisier, la masa total de las sustancias que reaccionan es igual a la masa total de los productos de reacción que se obtienen) Para ello, delante de cada fórmula o símbolo químico de cada sustancia que interviene en la ecuación de la reacción, se coloca un número, llamado coeficiente estequiométrico, que es proporcional al número de moléculas, átomos o iones de cada sustancia. Se llama relación estequiométrica de una ecuación química a la relación entre los coeficientes estequiométricos de la reacción química y ajustar una ecuación química es una tarea que consiste en encontrar los coeficientes estequiométricos de la ecuación química de una reacción química. 63 Esta relaciones en toda ecuación química puede ser entre: mol-mol; mol-gramos; gramos-gramos; mol-volumen; volumen-gramos; volumen-volumen y también entre, entre reactivos y productos, sólo entre reactivos o sólo entre productos. Mol: es la unidad que para mide la una magnitud denominada cantidad de sustancia. Por lo tanto un mol es la cantidad de sustancia que contiene 6,02.1023 partículas elementales (número de Avogadro, NA). Ejemplo, un mol de átomos de hierro contiene 6,02.1023 átomos de hierro. Masa molar o masa de un mol: se expresa en gramos/mol (g/mol)y coincide , para cualquier tipo de átomo, con la masa atómica relativa (Ar) expresada en gramos. Por ejemplo para el azufre, la masa molar es de 32 g/mol. Pero en el caso de una molécula o un compuesto iónico, la masa molar coincide con la masa molecular relativa (Mr) expresada en gramos. Por ejemplo el agua presenta una masa molar de 18g/mol. Se aplica la siguiente fórmula para calcular la cantidad de moles (n) de moléculas, átomos o compuestos iónicos hay en una masa (m) de una sustancia: mgM gm moln / Recordar: Ejemplo: ¿Cuántos moles de cloruro de sodio hay en 117g de esta sustancia? (M=58,5g). Aplicando la formula: moles molg g n 2 /5,58 117 En el caso que estos 2 moles de NaCl se encontraran disueltos en 2 litros de H2O. ¿Cómo se calcula la concentración de la solución? Una forma de expresar la concentración de un soluto en una solución es mediante la molaridad, que representa el” número de moles de soluto por litros de solución”. m: masa de una sustancia M: masa molar n: cantidad de sustancia 64 Continuando con el ejemplo, la concentración del NaCl será de 2 moles/litro o 2 molar (2M). Actividad ¿Cuántos moles de partículas (moléculas, átomos, etc.) hay en: a. …34 g de NH3 ? b. …234 g de NaCl? c. ….3,6 g de C? ¿Qué información nos da una ecuación química? N2(g) + 3H2(g)2 NH3(g) 1 molec. de N2 + 3 molec. de H2 2molec. de H3 2 át. De Nitróg. + 6 át. De Hidróg. 2át. De Nit. Y 6 át.de Hid. 28 uma de N2 + 6 uma de H2 34 uma de NH3 A nivel microscópico: se conserva la masa y la cantidad de átomos de cada tipo. Se puede hacer relaciones cruzadas. Además 28 uma de N2 reaccionan con 6 átomos de hidrogeno para dar 2 moléculas de NH3. A nivel macroscópico: se puede hacer relaciones cruzadas. Pero no mezclar lo microscópico con el nivel macroscópico. N2 (g) + 3H2(g) 2 NH3(g) 1 molec. de N2 + 3 molec. de H2 2Molec. de H3 6,022 x10 23 3x 6,022 x10 23 2x 6,022 x1023 molec. de N2 molec. de H2 molec. de NH3 28 g de N2 6g de H2 34 g de NH3 Recordar: La relación entre la unidad de masa atómica, u, y la masa en gramos, g, es: 1 u = 1,6606 · 10-24 g Cálculos estequiométricos “Para resolver los problemas de estequiometria, lo primero que se debe hacer el balancear la ecuación química, para asegurar un resultado correcto”. 65 Relaciones entre moles en una ecuación química CH4 + 2 O2 2H2O + CO2 El coeficiente del metano es 1, el del oxígeno es 2, el del dióxido de carbono es 1 y el del aguan es 2. Por lo tanto: 1 mol + 2 moles 2 moles + 1 mol ¿Cuántos moles de agua se obtendrán a partir de 3,5 moles de metano según la reacción anterior? 1 mol CH4 2 moles de H2O 3,5 moles de CH4 x= (3,5 . 2)/1 = 7 moles de H2O Relaciones entre masas en una ecuación químicas En una reacción química la masa total de los reactivos es siempre igual a la masa total de los productos. 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O(g) 2 moles + 1 mol 2 moles 4g de H2 + 32 g de O2 36 g de H2O Volumen molar de un gas Hipótesis de Avogrado (1822) “en las mismas condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de distintos gases tienen igual número de partículas (moléculas)”. Por lo tanto es el volumen que ocupa un mol de moléculas de cualquier gas (ideal) en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT, 1 atm y 0°C): 22,4 L/mol (el número exacto es 22,414L/mol) Relaciones entre volúmenes en una ecuación química Es sólo válida para sustancias en estado gaseoso. 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) 2H2 + O2 2 H2O 2 moles + 1 mol 2 moles Entonces: 2H2 + O2 2 H2O 44,8 L + 22,4 L 44,8 L 66 ¿En condiciones normales, ¿Cuántos gramos de agua se formaran a partir de 11,2 litros de hidrógeno? 2H2(g) + O2 (g) 2 H2O(g) Si 2 moles de H2 producen 2 moles de H2O Entonces: 1 mol de H2 ocupa 22,4L, por lo tanto 11,2 L de H2 corresponden a 0,5 moles Por lo tanto: 1 mol de H2O equivale a 18 g de H2O 0,5 moles H2O 9 g. Ejemplo: para la reacción CaCO3 + HCl CaCl2 + CO2 (g) + H2O a. ¿Qué masa de CaCO3 se necesita para obtener 5,12 L de CO2 en CNPT? 1°. Verificar si la ecuación química esta balaceada. 2°. ¿Cual es el peso del mol de cada reactivo? CaCO3 + HCl CaCl2 + CO2 (g) + H2O 100,09g/mol + 36,46 g/mol 110,98 g/mol + 44,01 g/mol + 18,11 g/mol 100 + 2 x 36,46 111 + 44 + 18 3°. ¿Como es la relación de peso y volumen para el CO2 (g)? 22,4L equivalen a 1 mol ----------- 44g 5,12 L equivales a 0,229 mol --------- 10,05 g 4°. ¿Cómo es la relación de peso y volumen para el CO2 (g) y el CaCO3 ? 44g (o 22,4L) se obtienen con 1 mol o 100 g 5,12 L se obtienen con 22,85g a. ¿Qué masa de CaCO3 se necesita para obtener 5,12 L de CO2 en CNPT? b. ¿Cuántas moléculas de HCl van a reaccionar? c. ¿Cuál será el número de moles de CaCl2 obtenido? 67 Soluciones químicas: Son mezclas homogéneas que están formadas básicamente por dos componentes uno es el soluto y el otro es el solvente; que se mezclan en proporciones variables; sin cambio alguno en su composición, es decir no existe reacción química. . La masa total de la solución es la suma de la masa de soluto mas la masa de solvente. Soluto + Solvente = Solución Soluto: es la sustancia que se disuelve, dispersa o solubiliza y siempre se encuentra en menor proporción, ya sea en peso o volúmen. En una solución puede haber varios solutos. Según la naturaleza del soluto se debe el color, el olor, el sabor y la conductividad eléctrica de las disoluciones. El soluto da nombre a la solución. Solvente o disolvente: es la sustancia que disuelve o dispersa al soluto y se encuentra en mayor proporción. Existen solventes polares (agua, alcohol etílico y amoniaco) y no polares (benceno, éter, tetracloruro de carbono). En las soluciones liquidas se toma como solvente universal al agua debido a su alta polaridad. El solvente da el aspecto físico de la solución. Concentración de una solución Concentración: es la relación entre la cantidad de sustancia disuelta (soluto) y la cantidad de disolvente. Se expresa cuantitativamente en unidades físicas y unidades químicas, considerándose también la densidad y el peso molecular del soluto. Concentración en unidades físicas Porcentaje masa en masa (%m/m o % p/p); indica la masa de soluto en gramos, presente en 100 gramos de solución. Xg soluto 100 g solución Ejemplo: una solución de azúcar en agua, contiene 20 g de azúcar en 70g de solvente. Expresar la solución en % p/p. Soluto + solvente solución 20 g + 70g 90 g 90 g solución 20 g de azúcar 100g solución X= 22,22%p/p 68 Porcentaje masa en volumen (% m/v o %p/v): indica la masa de soluto en gamos disuelto en 100 mil de solución. Xg soluto 100 ml solución Ejemplo: una solución salina contiene 30 g de NaCl en 80 ml de solución. Calcular su concentración en %p/v. 80 mL solución 30g NaCl 100 mL solución x = vp mL mLg /%5,37 80 100.30 Porcentaje en volumen (%v/v): indica el volumen de soluto, en ml, presente en 100 ml de solución. X ml soluto 100 ml solución Ejemplo: calcular la concentración en volúmen de una solución alcohólica, que contiene 15 mil de alcohol disueltos en 65 ml de solución. 65 mL solución 15 mL alcohol 100mL solución vv mL mLmL x /%23 65 100.15 Concentracion común (g/L): indica la masa de soluto en gramos, presente en un litro de solución ( 1L = 1000 ml, por lo que es lo mismo decir, mg/ml). Xg soluto 1L o 1000 ml solución Ejemplo: una solucion de KCl contiene 10g de sal en 80 mL de solución. Calcular su concentracion en gramos por litro. 80 mL solución 10 g KCl 100mL solución Lg mL mLg x /125 80 1000.10 Partes por millón (ppm): son los miligramos de soluto disueltos en 1000 ml o 1 litro de solución. (1 g = 1000 mg). Xmg soluto 1000 mL solución 69 Ejemplo: calcular la concentración en ppm de una solución que contiene 0,85 g de KNO3 disueltos en 670 mL de solución. 1. Transformar los gramos a miligramos: 1g ---------1000 mg entonces x = 850 mg 2. Teniendo los miligramos se calcula los ppm de la solución 670 mL solución 850mg KNO3 100mL solución ppm mL mLmg x 65,1268 670 1000.850 Concentración en unidades químicas Molaridad (M): indica el número de moles de soluto disueltos en un litro de solución. X mol 1 L o 1000 ml solución
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