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QUMICA I
LIBRO DE TEXTO BSICO
Q.B. Judith Dora Snchez EcheverraQ.F.I. Mara De Lourdes Garca Becerril
I.I.Q. Yolanda Edith Balderas Solano
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N D I C E
Prlogo a la primera edicinIntroduccin __________________________________________________ 7Objetivos de aprendizaje ________________________________________ 9UNIDAD I La qumica y nuestro entorno _________________________ 111.1 La Qumica, su importancia social ____________________________ 12
La Qumica esta en todas partes La Qumica como ciencia Ejemplos del desarrollo de la Qumica en Mxico
1.2 Materia, Energa y Cambio__________________________________ 20 Propiedades de la materia Estados de agregacin Cambios de estado Tipos de energa Fuentes de energa Leyes de la conservacin Cambios Fsicos Qumicos y Nucleares
1.3 El lenguaje de la Qumica ___________________________________ 32
Clasificacin de la materia Elemento, mezcla, compuesto. Mtodos de separacin de mezclas. Frmulas qumicas
1.4 Sistema Internacional de Unidades ___________________________ 44
Mol. Nmero de Avogadro
Razones bsicas y unitarias.
Resumen_____________________________________________________ 51Actividades de aprendizaje______________________________________ 53Evaluacin ___________________________________________________ 55Notas________________________________________________________ 62UNIDAD 2 Estructuras atmicas ________________________________ 632.1 Antecedentes de la Teora atmica de Dalton ___________________ 64
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Resea sobre la concepcin y origen de la materia en la antigedad.
2.2 Teora atmica de Dalton ____________________________________ 66 Postulados d la Teora de Dalton
2.3 Antecedentes de la Teora atmica moderna ____________________ 68 Descubrimiento de los rayos X
Descubrimiento de la radiactividad Experimento con tubos de descarga Descubrimiento del electrn
2.4 Modelos atmicos con estructura electrnica____________________ 76 Modelos atmicos de Kelvin Thomson, Perrin, Rutherford, Bhor,
Sommerfield, Schrodinger. Modelo de la mecnica cuntica.
2.5 Nmeros cunticos _________________________________________ 93 Nmeros cunticos Orbitales atmicos
2.6 Configuraciones electrnicas _________________________________ 98 Principios para representar Formas de representacin Electrn diferencial
Resumen____________________________________________________ 106Actividades__________________________________________________ 108Evaluacin __________________________________________________ 109Notas_______________________________________________________ 114
UNIDAD 3 Tabla peridica y periodicidad _______________________ 1163.1 Antecedentes de la tabla peridica ___________________________ 117
Tradas de Dobereiner Octavas de Newlans Ley peridica de las masa atmicas Ley peridica de los nmeros atmicos
3.2 Estructura de la tabla peridica moderna _____________________ 121 Periodos Grupos
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Propiedades de los metales, no metales y metaloides
3.3 Propiedades peridicas_____________________________________ 138 Radio atmico y radio inico Afinidad electrnica Potencial o energa de ionizacin Electronegatividad
Resumen____________________________________________________ 143Actividades de aprendizaje_____________________________________ 145Evaluacin __________________________________________________ 146Notas_______________________________________________________ 148
UNIDAD 4 Enlaces qumicos __________________________________ 1494.1 Teora de los enlaces qumicos_______________________________ 150
Electrones enlazantes y regla del octeto Estructura de Lewis Clasificacin de los enlaces qumicos
4.2 Enlaces interatmicos______________________________________ 155 Enlace inico Enlace covalente Hibridacin Enlace metlico
4.3 Enlaces intermoleculares ___________________________________ 174 Enlaces por puente de Hidrgeno Enlaces por fuerzas de Van der Waals
Resumen____________________________________________________ 177Actividades de aprendizaje_____________________________________ 179Evaluacin __________________________________________________ 180Notas_______________________________________________________ 182UNIDAD 5 Nomenclaturas de losCompuestos qumicos inorgnicos_______________________________ 1835.1 Lectura y escritura de frmulas qumicas______________________ 184
Valencia Nmeros de oxidacin Escrituras de frmulas
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5.2 Clasificacin de los compuestos por su funcin qumica__________ 1925.3 Sistemas de nomenclatura __________________________________ 193
Sistema de nomenclatura tradicional (Ginebra) Sistema de nomenclatura del sistema Stock Sistema de nomenclatura de la UIQPA
5.4 Nomenclatura de los compuestos qumicos inorgnicos __________ 197
xidos bsicos y metlicos xidos cidos o anhdridos Hidruros metlicos Hidruros no metlicos Hidrxidos o bases Hidrcidos Oxicidos Sales binarias Oxisales
Resumen____________________________________________________ 215Actividades de aprendizaje_____________________________________ 216
Evaluacin __________________________________________________ 217
UNIDAD 6 Reacciones qumicas inorgnicas _____________________ 2226.1 Conceptos bsicos de reacciones y ecuaciones qumicas__________ 2236.2 Balanceo de ecuaciones qumicas ____________________________ 228
Balanceo de ecuaciones por el mtodo de tanteo
6.3 Clasificacin de las reacciones qumicas inorgnicas ____________ 239 Reacciones de sntesis o adicin Reacciones de descomposicin Reacciones de desplazamiento simple Reacciones de desplazamiento doble
Reacciones qumicas importantes por su impacto ecolgicoResumen____________________________________________________ 253Actividades de aprendizaje_____________________________________ 255Evaluacin __________________________________________________ 257Notas_______________________________________________________ 260Bibliografa _________________________________________________ 261
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INTRODUCCIN
El hombre desde su inicio hasta nuestros das, ha sentido enormecuriosidad por conocer el origen de los fenmenos que transforman la naturaleza,y sobre todo sus repercusiones, debido a los cambios que estos han generado en
las formas de vida de las sociedades de todos los tiempos. De esta forma seestablece la relacin sociedad-naturaleza, hacindose necesaria una bsquedaconstante de hechos y explicaciones cientficas, que pudieran fundamentar ymejorar la existencia del ser humano.
En este contexto surge la qumica que es la ciencia que estudia la materia,su estructura, sus propiedades y transformaciones. Esta ciencia tiene una enormerelevancia tanto cientfica como social, ya que al estudiar la naturaleza aplicando elmtodo cientfico, proporciona un conocimiento de la misma, para transformarladesarrollando la tecnologa y teniendo como objetivo principal el beneficio de lamisma sociedad.
Algunos de los beneficios de que provee la aplicacin de la qumica son: El vestido, mediante la fabricacin de fibras sintticas con mejores
propiedades que las naturales La alimentacin, por medio del empleo de productos que satisfacen las
necesidades bsicas del organismo. La evaluacin y control de la contaminacin del suelo, aire y agua, con el
estudio analtico de muestras naturales, para proponer alternativas desolucin.
El abasto de energa, mediante el estudio de nuevas fuentes energticasno contaminantes.
La vivienda, con la produccin de materiales estructurales msresistentes.
Los productos para el hogar, a travs de la multitud de objetos ysustancias como: cerillos, encendedores, desinfectantes, limpiadores,desodorantes, fotografas, ceras, polmeros en la elaboracin de enseres
domsticos y mucho ms. La conservacin de la salud, mediante la elaboracin de gran nmero de
medicamentos que protegen nuestro organismo, o bien, lo liberan losagentes patgenos.
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Hay mucho por hacer todava en esta ciencia, por ello, te ofrecemos eneste texto bsico la posibilidad de que conozcas y analices los cambios quesufre la materia y su interrelacin con la energa, con base a sus principios yleyes fundamentales.
El texto est estructurado por seis unidades, bsicas para iniciar el estudiode la QUMICA, mismas que son fundamentales para cursos posteriores.
La primera unidad te presenta un panorama general del lenguaje de la
qumica y sus aplicaciones.En la segunda unidad se analiza la estructura fundamental de la materia:el tomo y sus propiedades.
La tercera unidad hace un estudio de los elementos y sus propiedadesperidicas y analiza cmo estas propiedades determinan el comportamientode los elementos.
La cuarta unidad presenta y analiza las diferentes formas de unin entrelos tomos y las molculas, as como, las propiedades que adquieren lassustancias derivadas de estas uniones.
La quinta unidad aborda los diversos sistemas de nomenclatura decompuestos inorgnicos, haciendo hincapi en el sistema de la UninInternacional de Qumica Pura y Aplicada (U.IQ.P.A), por ser reconocido anivel mundial.
Por ltimo, en la sexta unidad, se clasifican y analizan las reaccionesqumicas inorgnicas con la finalidad de tener control de ellas para beneficiodel hombre.
Con el contenido del texto se pretende crear en ti, alumno o maestro, unaactitud responsable ente el uso y abuso de las aplicaciones de la qumica tantoa nivel personal, como de tu comunidad y a nivel de todos los ecosistemas; detal forma, que los riesgos sean los mismos y los beneficios de los mximos.
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OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
Conocer el universo de estudio de la qumica y los pilares que lasustentan: el anlisis y la sntesis, apreciar la necesidad de lacuantificacin en qumica, desarrollando aptitudes de medicin y
experimentacin.
Desarollar capacidad para resolver problemas, generando su propiaestrategia de solucin y clculo.
Conocer los hallazgos que condujeron al conocimiento del tomo y alplanteamiento de un modelo que pudiera explicar su comportamiento enlas diferentes manifestaciones de la materia e interpretar la existenciadel universo
A partir del conocimiento de la estructura del tomo.
Representar configuraciones electrnicas de los elementos qumicos
identificando su posicin en la tabla peridica y reconocer laspropiedades peridicas de stos.
Conocer e interpretar la forma en que ocurren los enlaces qumicosrelacionndola con la estructura de los tomos y las propiedadesderivadas del tipo de enlace.
Conocer los diferentes sistemas de nomenclatura qumica en especial elsistema U.I.Q.P.A. y su aplicacin.
Interpretar el significado de una ecuacin como la representacin de unproceso qumico, clasificar las reacciones qumicas inorgnicas y analizarsus repercusiones ecolgicas y sociales.
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UNIDAD 1LA QUMICA Y NUESTRO ENTORNO
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE:
Reconocer que la qumica est presente en nuestro entorno cotidianamente.
Reflexionar sobre los beneficios y riesgos del estudio y aplicacin de la qumica.
Revisar su concepcin de la ciencia y sus propsitos.
Repasar algunos conceptos fundamentales aprendidos en el nivel medio bsico.
Emplear correctamente el Sistema Internacional de Unidades.
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1.1LAQUMICA,SUIMPORTANCIASOCIAL.
La Qumica est en todas partes.
Seguramente una o varias veces te has preguntado por qu o para qu aprenderqumica, sin embargo, observa a tu alrededor; recuerda cuntos cambios qumicos
has observado o biencuntos materialestiles has obtenidogracias a esta ciencia. Laqumica est en todaspartes. Por ejemplo: losautomviles se muevengracias a sustanciasqumicas que soncombustibles; el vestido
que te protege del fro oel calor; el alimento quese asimila en tuorganismo; la funcin delos aparatos elctricos
que facilitan la labor en el hogar o la fbrica; la medicina que resuelve problemasde salud; el proceso defotosntesis, todos estosbeneficios los obtenemosgracias a la qumica. En lasfiguras 1.1a y 1.1b, temostramos algunos productosqumicos.
De hecho la mayora deproductos que empleas en tuvida diaria son obtenidos pormedio de esta ciencia.
Fig. 1.1 Productos qumicos de uso cotidiano
Fig. 1.1b Productos farmacuticos
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La qumica como ciencia.
La Qumica es una ciencia, como tal definiremos a la ciencia retomando elconcepto de Albert Einstein quin dice:
La ciencia puede dividirse en las siguientes reas:Ciencias abstractas: MatemticasCiencias fsicas: Astronoma, Geologa, Fsica y Qumica.Ciencias biolgicas: Botnica, Microbiologa y Fisiologa.Ciencias Sociales: Historia, Antropologa y Economa
Podemos mostrar esta estrecha relacin con la figura 1.2
Adems realiza estudios cualitativos, determina que componentes estn presentesen una sustancia; pero tambin efecta anlisis cuantitativos, es decir cuantifica,para ello requieren de mediciones precisas de la materia y la energa queintervienen durante los fenmenos qumicos que suceden en la naturaleza.
Es un intento de relacionar la caticadiversidad de nuestra experiencia sensorialcon un sistema lgico y uniforme depensamiento
La qumica es una ciencia que estudia la interaccinmateria - energa, as como los cambios que se originanen la estructura interna de la materia acompaados decambios en la energa.
Fig. 1.2 Interrelacin materia - energa
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El anlisis qumico, permiteconocer la estructura interna de lamateria para poder transformarla,investiga los componentes ymateriales que la forman y lossepara para su estudio; comoresultado del anlisis, el hombrerealiza sntesis de nuevassustancias semejantes o mejores alas naturales e incluso ms baratas.
A partir de los anlisis se elaborantambin modelos cientficos quesimulan un aspecto de la realidad ysirven para comprenderla mejor.
Las figuras 1.3a y
1.3b muestran la elaboracin demodelos estructurales molecularesde hidrocarburos (modelocientfico); como puedes observarnos proporcionan una idea clara delos tomos que participan, sudisposicin y los enlaces que
forman.
La qumica nos ayuda a conocer, interpretar y transformarnuestro ambiente. Para realizar estos estudios se basa en dosobjetivos:
El anlisis qumico y la sntesis qumica
Fig. 1.3 Alumno del colegioelaborando modelos de molculas
Fig. 1.3b Ejemplos de modelosmoleculares
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De acuerdo al enfoque y tipo de materia que estudia la Qumica se divide en:
E s t u d i a
Los elementos ylos compuestos,su origen ycomportamientoqumico
Loscompuestosdel carbono,na turales ysintti cos.
Es elreconocimiento ycuantificacin deloscomponentesde la materia.
Laspropiedadesde lassustancias suvelocidadde reaccin,sus en lacesy su termodinmica.
Sustancias qumicas que intervienen en los seresvivos y sustransformaciones.
QUMICA
ORGANICAINORGNICA ANALITICA FSICA BIOQUIMICA
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Ejemplos del desarrollo de la Qumica
Al igual que todas las ciencias laQumica ha evolucionado, en nuestropas desde la poca de la colonia los
indgenas empleaban diversos metalescomo: el oro, la plata y el cobre parahacer aleaciones; todos estosmateriales eran ocupados paraelaborar piezas de joyera, figuras1.4ay 1.4b, elementos de construccin,diversos utensilios figura 1.5 ycolorantes. Tambin empleaban elcarbn, y obtuvieron el negro dehumo para hacer tinta negra,realizaban fermentaciones, extraanvarias resinas que empleaban comopegamentos e identificaron gran
nmero de vegetales curativos.
Estas bellas joyas, son una muestra delos trabajos que realizaron nuestrosantepasados por medio de aleaciones.
Fi . 1.4 Mscara za oteca. Caso . 84
Fig 1.5. Utensilios en los cuales seempleaban los colorantes. Caso, p.42
Fig. 1.4b Pectoral, elaborado por mediode amalgamas. Caso, p. 172
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Un colorante muy importanteempleado por los zapotecas y otrasculturas prehispnicas es la granacochinilla. Actualmente esutilizada por nuestros artesanos,para teir la lana; tambin seaprovecha en cosmticos y
diversos alimentos procesados.
La figura 1.6a muestra una plantacon grana, la figura 1.6b exhibegrana procesada y lana teida,finalmente tenemos lana teida ehilada. Figura 1.6c.
En 1555 se inicia la primerindustria en nuestro pas, cuandoBartolom de Medina pone enprctica su proceso derecuperacin de la Plata por
amalgamacin con Mercurio.
Fig. 1.6 Colorantes naturales
Fig. 1.6b Lana teida con colorantes naturales
Fig. 1.6c Lana hilada, preparada para tejer
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En el siglo XIX, el mexicano VicenteOrtigosa fue el primero en aislar yanalizar el alcaloide del tabaco, lanicotina, a la que dio la frmulaC10H16N2 al mismo tiempo quedetermin su composicin porcentual.Figura 1.7
Entre 1849 y 1862 LeopoldoRo de la Loza, escribe el primertratado de Qumica hecho en Mxico.Estudi diversos productos de origenvegetal, entre los cuales encontr el
cido pipitzahoico, descubrimiento quelo hizo merecedor de un premio
internacional en Londres. Fund la Sociedad Farmacutica Mexicana, dondeedit la Farmacopea Mexicana.
Posteriormente HYLSA, compaa de hojalata y lmina de Monterrey desarrolla elhierroesponja, obtenido por reduccin directa del mineral de hierro. Siendo porms de treinta aos el lder en la obtencin de hierro por ste mtodo.
En 1941, se crea el Instituto de Qumica de la UNAM, en 1943 se descubre unvegetal con alto contenido de diosgenina, y aos ms tarde se producen en Mxicolos primeros antiovulatorios orales, que obstaculizan la gestacin. Cinco aosdespus estos anticonceptivos eran utilizados por millones de mujeres.
Ahora se llevan acabo diferentes trabajos como: el estudio de la degradacin delPVC, un nuevo mtodo para producir antibiticos, obtencin de un medicamentopara combatir la cisticercosis, el empleo de los insectos como fuente dealimentacin para el futuro, la obtencin de protena unicelular a partir del suerodel queso y muchos proyectos ms.
Fi . 1.7 Ho a de tabaco. Alexander . 192.
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Actualmente el Instituto Mexicano del petrleo ha diseado 100 plantaspetroqumicas y cuenta con ms de 150 patentes, hoy realizan investigacionessobre la biodegradacin microbiana de hidrocarburos, como una posibilidad derecuperacin de suelos contaminados con crudo.
En el Instituto Politcnico Nacional tambin se realizan diversos trabajos comoson: aislamiento de los principios activos de vegetales empleados para el
tratamiento del cncer, elaboracin de una vacuna viva contra la tifoidea,deshidratacin por secado de frutas y verduras; as como estudios de lastransformaciones catalticas de los hidrocarburos; son algunos ejemplos de lasinvestigaciones que se realizan en nuestro pas.
Como puedes ver, en Mxico existen centros de Investigacin de gran importanciapara el desarrollo de las diferentes ramas de la Qumica, en los cuales se trabajacon responsabilidad y gran inters. T puedes formar parte de ellos!
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1.2 MATERIA ENERGIA Y CAMBIO.
A toda porcin limitada de materia se le denomina cuerpo. Todas las cosas queconocemos, ya sean seres vivos o inertes, estn constituidos por materia.
Propiedades de la materia.
La materia presenta diferentes propiedades, stas se clasifican con base a variosparmetros, por ejemplo:
Por su naturaleza las propiedades de la materia se clasifican en: Fsicas Qumicas Biolgicas
Otro parmetro considerado para clasificar las propiedades de la materia,toma de referencia si stas se presentan en cualquier tipo de materia o no,originando la siguiente clasificacin:
Gerenciales IntensivasExtensivas
Especficas IntensivasExtensivas
En forma general se identifica a la materia como todoaquello que tiene masa, energa, ocupa un lugar en elespacio, posee inercia y es susceptible a cambio; pero no
puede ser destruida.
De acuerdo a las teoras de la fsica relativista, la materiatiene cuatro manifestaciones o propiedades fundamentalesque son: la masa, energa, espacio y tiempo.
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Propiedades generales.Son aquellas que se presentan en todo tipo demateria. Entre ellas tenemos:
Volumen PesoMasa PorosidadInercia Impenetrabilidad
Volumen. Es la cantidad deespacio tridimensional que ocupaun cuerpo. En el SistemaInternacional, su unidadfundamental es el m3y se basa enel volumen de un cubo que mideun metro en cada una de las tresdimensiones. Otras medidasempleadas son: el litro queequivale a 1 dm3 1000 cm3figura1.8a. Un centmetro cbico sedenomina tambin mililitro; estaunidad es muy empleada en
Qumica.
Masa. Se define como la cantidadde materia presente en un cuerpo.Su unidad fundamental es elkilogramo kg., en el laboratoriogeneralmente empleamos el gramo
g.
Fig. 1.8 a Representacin de un cuerpo entres dimensiones
Fig 1.8. Medicin de volmenes, empleandoprobetas, pipetas y matraces aforados
0.1m
0.1m1dm3
1 litro
0.1m
Fig.1.9 En el laboratorio la masa se determina conbalanzas: a) de un platillo b) de brazo triple c)granataria elctrica
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Inercia. Es la propiedad delos cuerpos para mantener suestado de reposo (Figura1.10a) o movimiento (Figura1.10b) a menos que intervengauna fuerza que modifiquedicho estado. Esta propiedad
est en relacin directa con lamasa, es decir, a mayor masamayor inercia y viceversa.
Peso. Es resultado de larelacin entre la masa de uncuerpo y la fuerza gravitatoria.Es la medida de la fuerza con laque un cuerpo es atrado por laaccin de la gravedad, vara con
la fuerza del campo
gravitatorio.
Porosidad. La materia estformada por molculas demayor o menor tamao, pero todas estn separadas por espacios denominadosporos espacios intermoleculares Fig. 1.11. Ello indica que la materia esdiscontinua.
Impenetrabilidad. Esta propiedad indica que dos cuerpos no pueden ocupar elmismo lugar al mismo tiempo.
Divisibilidad. Todo tipo de materia es susceptible a dividirse, esto comoconsecuencia de la porosidad.
Fig. 1.10b Pndulo enmovimientos
Fig. 1.11 En el corte de este corcho podemosobservar a simple vista los espaciosintermoleculares o poros.
Fig. 1.10 Pndulo enreposo
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Propiedades especficas. Son propiedades que sirven para identificar ydiferenciar una sustancia de otra. Pueden ser fsicas qumicas. Como ejemplostenemos:
Fsicas QumicasPunto de fusin Poder oxidantePunto de ebullicin Poder reductor
Color AcidezDureza CombustibilidadMaleabilidad ComburenciaDuctibilidad Electronegatividad
Una de las propiedades especficas ms importantes es la conductividad elctrica.En la figura 1.12 se muestra esta propiedad del sulfato de cobre, disuelto en agua.
Estados de agregacin.
Observa todo lo que te rodea, seguramente encuentras materia condiferente estado de agregacin o forma fsica, stas dependen de la fuerza deatraccin y repulsin entre sus molculas.
Slido Lquido Gaseoso
Fza. de repulsin
Baja Media AltaFza. de cohesin
En el siglo XIX se explic satisfactoriamente la presencia de estas 3
Fig.1.12Condutividad elctricaen una disolucin de sulfato decobre
Alta Media Baja
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Caractersticas de los cuer os en estado slido
fases de la materia gracias al modelo cintico-molecular, el cual determinaque la materia est constituida por partculas extraordinariamente pequeas,llamadas molculas. Figura 1.13Pero Qu es una molcula?
Podemos apreciar en esta figura los tres estados de agregacin: (a) slido, susmolculas estn muy unidas, (b) lquido, cuyas molculas estn poco separadas y(c) gaseoso, con sus molculas muy dispersas.
Ahora te presentamos las propiedades ms representativas de los estados deagregacin, analzalas y busca las similitudes y diferencias.
Es la parte ms pequea en la que puede serdividida una sustancia, sin que forme una nueva.
.Sus partculas estn muy prximas
unas de otras, es decir sus espaciosintermoleculares son muy pequeos.-La fuerza de cohesin entre susmolculas es muy alta-Tienen un volumen y una formadefinidos.
-Son ms densos que los lquidos
-Sus tomos o molculas estnordenados en formas geomtricas.-La fuerza de repulsin entre suspartculas es muy baja.-Sus partculas solo vibran.-No fluyen.
Fig. 1.13 Representacin de los tres estados deagregacin del agua a) slido, b) lquido, c)gaseoso. Phillips, p 127.
a
b
c
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Caractersticas de los cuer os en estado aseoso
Caractersticas de los cuerpos en estado lquido
CAMBIOS DE ESTADO.
La materia puede cambiar su estado de agregacin. Los cambios de estado solomodifican la apariencia externa de la materia, por lo que se consideran cambiosfsicos, ocurren por variacin de temperatura o presin y requieren poca energa.
.-Poseen una membrana tensa en susuperficie, esta caracterstica esdenominada tensin superficial.-Son incomprensibles si no vara latemperatura y a presin moderada.-Los tomos o molculas que
constituyen a los cuerpos lquidostiene fuerza de cohesin menor quela de los slidos, por ello adoptan laforma del recipiente que los contiene.
-Tienen volumen constante.-Sus molculas se puedendesplazar o fluir progresivamentede un lugar a otro, son escurridizos.-No tienen forma fija.-Cuando dos o ms lquidos son
solubles entre s, se presenta elfenmeno de difusin.
-Sus molculas estn muyseparadas unas de otras y semueven a gran velocidad.-Al moverse sus molculas generangran cantidad de colisiones,
aumentando as su energa cinticay con ello la fuerza de repulsin.
- Se expanden rpidamente.-Son compresibles.-La temperatura y la presin cambiansu volumen.-No tienen forma ni volumen fijo.
-Se mezclan y se difunden uno enotro.
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En las figuras 1.14 y 1.15 se observan algunos cambios de estado.
TIPOS DE ENERGA.Tradicionalmente la energa se define como la capacidad para producir un trabajoo para transferir calor, sin embargo no existe una definicin exacta debido a que laenerga tiene la peculiaridad de cambiar frecuentemente.
Desde el punto de vista de la mecnica, se divide en dos tipos:
ENERGA
Energa: se considera el principio de laactividad interna de la masa.
Potencial.Es la que posee un cuerpo por su composicin. Estalmacenada en sus partculas debido a su posicindentro de un campo de fuerzas elctricas, magnticas ogravitacionales.
Donde: Ep= Energa potencia (ergios o joules)m= masa de la partcula (g o kg)g= aceleracin de la gravedad (cm/s2 o m/s2)h= diferencia de alturas ( cm o m)Cintica.
Cintica. Es la que poseen los cuerpos en movimiento,debido a su velocidad.
Donde: Ec= energa cintica (ergios o joules)m= masa (g o kg)v= velocidad cm s o m s
Ep = m g
Ec = m v2
Fig. 1.14 Fusin de hierro. Phillips, p. 286.Fig. 1.15 Sublimacin delYodo, aso de slido a as.
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Cuando estos dos tipos de energa se transforman, pueden manifestarse como:
Energa mecnica Energa trmica Energa sonoraEnerga elctrica Energa luminosa Energa radiante
Por la fuente de donde proviene la energa puede ser:Energa hidrulica Energa solar Energa qumicaEnerga elica Energa geotrmica Energa nuclear
Energa geotrmica. Proviene de las capas internas de la tierra, especficamentedel magma (rocas fundidas). El vapor que emite el magma se libera por las grietasde las capas superiores.
Energa hidrulica. Se manifiesta por medio del movimiento del agua, estrascendental para producir electricidad en las plantas hidroelctricas.
Energa solar. Proviene como lo indica sunombre del sol, es de suma importancia paraprocesos vitales como la fotosntesis:
Actualmente se emplean celdas fotovoltaicasque almacenan la energa solar y latransforman en energa elctrica.
Energa elica. Se manifiesta por elmovimiento del aire. El viento mueve turbinasconvirtiendo la energa en mecnica y ungenerador la transforma en elctrica. La energa
elica no emite contaminacin.
Energa qumica. Es energa potencial que poseen los cuerpos de acuerdo a suestructura qumica. Esta energa se manifiesta en forma de calor o electricidad.
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Energa nuclear. Es la energa que se libera en las reacciones nucleares. Seobtiene por desintegracin de los ncleos de tomos pesados como el uranio.
Todos los tipos de enWDZerga pueden transformarse y manifestarse dediferentes formas; por ejemplo las que se muestran en la figura 1.16 que se iniciancon la energa solar.
Energa nuclearEnerga radiante
Fig. 1.16 Ejemplo de algunas transformaciones de energa, iniciando en el sol.
Ley de conservacin: Existen relaciones entre energa y masa, las cuales seexpresan por medio de las leyes de la conservacin y son:
Ley de la conservacin de la masa. Fue propuesta por Lavoisier yestablece:
Ley de la conservacin de la energa. Mayer establece:
Ley de la conservacin de la materia. Albert Einstein ( 1879-1955), fsicoalemn, basndose en su teora de la relatividad instituye esta ley que expresa:
Energa qumica. Energa mecnica parmoverse. Qumica en smolculas como protenasCarbohidratos y grasas.
Energa mecnica en la contraccinmuscular, sonora al hablar, qumica enla sntesis de macromolculas, cintica almoverse, elctrica para transmitir los
La masa no se crea ni se destru e solo se transforma.
La energa del universo se mantiene constante, no puede sercreada ni destruida, solo puede cambiar de una forma a otra.
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Se expresa matemticamente como:
donde:
E= energa (ergios o joules)
m= masa (g o kg)c= velocidad de la luz (3x 1010cm/s)
Cambios fsicos, qumicos y nucleares.
Los cambios se manifiestan constantemente enla naturaleza, se pueden clasificar de varias
formas, una de ellas es:
Fsicos: Son todos aquellos en los cualescambia la forma, el tamao, el estado demovimiento o de reposo o bien el estado de
agregacin de la materia. Para efectuarlos, serequiere poca energa. No cambian laspropiedades internas de la materia. Ejemplos:fusin de la cera, la lluvia, refraccin de la luz,dilatacin de un metal, arrugar una hoja,hervir agua y sublimar el yodo. Fig. 1.17.
Qumicos: Originan sustancias nuevas, conpropiedades distintas a las de la inicial; estodebido a que se modifica la naturaleza internade la sustancia.
La cantidad de masa-energa que se manifiesta en undeterminado espacio-tiempo es constante. La materia puedetransformarse en energa y viceversa.
Fig 1.18a. Combustin del potasio
Fig. 1.17 El espectro de la luz blanca,comnmente llamado arcoiris, es unfenmeno fsico. Philiiips,p.71
E = mc2
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Los cambios se llevan a cabo en una direccin determinada. Slo es factibleque sucedan espontneamente los cambios que en sistemas cerrados,implican el paso de un estado ms ordenado a otro menos ordenado. Algunoscambios ocurren en ambas direcciones, cuando la velocidad en ambas es igualse dice que se alcanza un estado de equilibrio
La energa absorbida o desprendida es mayor que en los cambios fsicos.Ejemplos: combustin, oxidar un metal, combinar un cido con agua, respirar, ladigestin, la fotosntesis, la fermentacin y la putrefaccin. Figuras 1.18 a ,b, c.
En estas figuras puedes observar lo evidente que son los cambios qumicos de lamateria, stos provocan modificaciones en sus propiedades fsicas, pero sobre todoen su estructura interna.
Nucleares: Modifican laconstitucin del ncleo atmico,estos cambios permiten latransmutacin de un tomo en otroliberando neutrones, requierengran cantidad de energa (Fig. 1.19).ste es el principio de las bombasatmicas y de los cambios que sepresentan en las estrellas.
Fig. 1.18b La reaccin entreel permanganato de potasiocon glicerina, desprende
gran cantidad de energa,dando origen a lacombustin
Fig. 1.19 Muestra como un ncleo de uranio sefracciona al chocar con un neutrn, formando dosncleos ms pequeos (Kr y Ba) y libera tres
neutrones.
Fig. 1.18cOxidacin de unclavo de hierro.
Phillips. P. 483
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1.3ELLENGUAJEDELAQUMICA.
En los distintos contextos donde el hombre realiza sus actividades, debe emplearun lenguaje adecuado: cuando vas a un partido de ftbol, por ejemplo dices, gol,penalti, tiro de esquina, etc. Cuando ests en la cocina el lenguaje es diferente,expresas palabras como: sartn, frer, moler, sazonar, etc. Al igual que en cualquiermbito de tu vida la qumica tambin tiene un lenguaje propio, que sirve para
entender esta ciencia. Para involucrarnos con el lenguaje de esta ciencia,iniciaremos con la clasificacin de la materia y mencionaremos su utilidad.
Clasificacin de la materia
La materia se puede clasificar en funcin de varios criterios, dos de los msutilizados son: por su composicin y por su estado de agregacin.
En el siguiente esquema se muestra la clasificacin de la materia por sucomposicin.
Materia heterognea: Porcin de materia que est formada por diversas fases, suspropiedades varan en diferentes puntos.
Materia homognea: Formada por diferentes componentes, su apariencia estotalmente uniforme (poseen una sola fase). Pueden ser sustancias puras omezclas homogneas.
Fig. 1.20 Clasificacin de la materia por su composicin.
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Sustancia pura: Est formada por un nico componente, no pueden separarsepor mtodos fsicos.
Elemento, mezcla y compuesto.
Elemento: Son sustancias simples que no pueden descomponerse en otra mssimples por mtodos qumicos ordinarios. Figura 1.21 a, b.
Fig. 1.21a Muestra diferentes elementos: a)cobre metlico, b) magnesio en granalla, c)calcio en virutas, d) azufre en polvo y e)limaduras de hierro.
Fig. 1.21 Muestra diferentes elementos: a)cobre metlico, b) magnesio en granalla, c)calcio en virutas, d) azufre en polvo y e)limaduras de hierro
Fig. 1.21b El mercurio, es un
ejemplo de metal en estadolquido. Phillips, p. 25
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Fig. 1.23 Decantacin de una mezcla que contienea ua aceite asolina.
Mezcla y compuesto. En la siguiente tabla se mencionan las diferencias entre unamezcla y un compuesto.
Tabla 1.1 Diferencias entre mezclas y compuestos
MEZCLA COMPUESTO Son uniones fsicas. Son uniones qumicas. Sus componentes conservan
sus propiedades individuales. Sus componentes pierden sus
propiedades individuales yadquieren nuevas.
Su composicin es variable. Tienen composicin definida yconstante. Poseen una frmulaqumica.
Se pueden separar suscomponentes por mtodosfsicos o mecnicos.
No se separan fcilmente.
Mtodos de separacin de mezclas.
La materia en el universo se encuentra en forma de mezclas, las cuales muchasveces se requieren separar para poder emplear algn componente de las mismas.Los mtodos de separacin de mezclas son procedimientos fsicos fisicoqumicos que no alteran la composicin qumica de las sustancias, la mayorarequieren de muy poca energa para efectuarse, entre los ms comunes tenemos:
Decantacin: Se utiliza para separar un slidode grano grueso e insoluble, de un lquido.Consiste en verter el lquido despus que seha sedimentado el slido. Este mtodotambin se emplea para separar dos lquidos
no miscibles, utilizando un embudo deseparacin. Figura 1.23.
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Filtracin:Este mtodo es mecnicoy permite separar un slido insolubleen un lquido; la separacin se logra alhacer pasar el lquido a travs de unmaterial poroso denominado filtro yretener el slido. Los filtros mscomunes son: papel filtro, fibra de
asbesto, algodn, fibra de vidrio, redesmetlicas o de cermica, fibras vegetaleslos cuales poseen perforaciones o porosde diferentes magnitudes.Figura1.24.
Centrifugacin: Mtodo empleado paraseparar un slido (insoluble de granomuy fino y de difcil sedimentacin) deun lquido. Se realiza en un aparatollamado centrfuga, en el que por mediode un movimiento de traslacin aceleradose eleva la fuerza gravitatoria provocandola sedimentacin del slido. Figura l.25
Cristalizacin: Consiste en realizar laseparacin de un slido que se encuentradisuelto en una disolucin, por medio dela evaporacin del lquido; el slido formacristales. Tambin se puede lograr lacristalizacin en una mezcla slido-lquido que contiene un solvente olquido voltil. La operacin se efecta enun cristalizador. Este mtodo se basa en
la diferente solubilidad que presentan losslidos cuando estn en solucin a
distintas temperaturas. La temperaturatiene efecto sobre la solubilidad de lamayora de las sustancias; para la mayorparte de los slidos disueltos en unlquido, a mayor temperatura mayor
Fig. 1.24 Podemos observar en la imagenla filtracin de una mezcla que contienenagua y tierra.
Fig. 1.25. Muestra una centrfuga de tuboscapilares, empleada para anlisis clnicos.
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solubilidad.
Destilacin: Este mtodo separalos componentes de una solucinhomognea, formada por dos lquidosmiscibles. El proceso se efecta en dosetapas: en la primera, la mezcla se
calienta, el lquido que tiene el menorpunto de ebullicin se desprende; en lasegunda etapa los vapores se condensan.Tambin existe la destilacin fraccionada,por medio de la cual separamos varioslquidos con diferente punto deevaporacin, como el petrleo crudo.Figura 1.26
Cromatografa: Permite analizar,identificar y separar los componentes demezclas homogneas y heterogneas degases lquidos al hacerlas pasar a travsde un medio poroso con un disolventeadecuado. Se basa en el fenmeno fsicollamado adsorcin, el cual ocurre cuandolas partculas de un lquido o un gas seadhieren a la superficie de un slido,recibe el nombre de adsorbente. Existenvarias tcnicas para efectuar lacromatografa, las ms usuales son: en
columna de vapor o gas, en columnalquida y cromatografa en papel. Figura1.27 a,b.
Fig. 1.27a Cromatografa de tinta en papel filtrocon alcohol etlico como solvente.
Fig. 1.26 Destilacin de gasolina.
Fig. 1.27a Cromatografa de tinta enpapel filtro con alcohol etlico comosolvente.
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Sublimacin: Separa mezclas heterogneas que contienen un componente quepasa de slido a gas sin pasar por lquido.
Diferencia de solubilidad: Permite separar slidos de lquidos o lquidos delquidos al contacto con un solvente que atrae a uno de los componentes de lamezcla, posteriormente se separa por decantacin, filtracin, vaporizacin odestilacin, y se obtiene en estado puro.
En el lenguaje de la Qumica se emplean otros trminos que debido a suimportancia se presentan a continuacin:
tomo: Esta palabra se emple paradefinir a la parte ms
pequea en la que puede dividirse la
materia, sin embargo actualmente sesabe que es divisible y est integradopor diversas partculas subatmicascomo son: electrones, protones,neutrones, etc.
La definicin moderna de tomo es:
Electrn (e-): Partcula subatmica de cuya masa se considera despreciable(9.1x10-28) gramos. Su radio es de 2.82x10-15nm, se encuentra en los niveles ysubniveles de energa. Su carga elctrica es 1.6 x 10-19 -1, por lo que sedenomina carga elemental de electricidad negativa. De acuerdo a su posicin seclasifican en internos y de valencia; estos ltimos son los que van a determinar laactividad qumica de cada elemento, es decir, su capacidad de combinacin; seencuentran en el ltimo nivel de energa.
La partcula ms pequea que puede participar en uncambio qumico
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Z = e- Z = p+
Protn (p+): Se encuentra en el ncleo del tomo y su masa es igual a 1.67x10 24gramos, posee carga elctrica igual a +1.6 x 10-19 +1.
Neutrn (n0): Partcula sin carga elctrica, su masa es de 1.68 x 10-24gramosse encuentra en el ncleo.
Existen otras partculas subatmicas como son: el mesn, los leptones, y los
positrones.
Nmero atmico:Es igual al nmero de electrones o protones de un tomo. Serepresenta con la letra Z.
Nmero msico: Actualmente podemos definir la masa atmica relativa de unelemento en relacin con la masa del tomo del carbono 12. Se representacon la letra Ay es igual a:
A = p+ + n0
Masa atmica:Es el promedio ponderado de los nmeros de masa de los distintosistopos de un elemento qumico.
Istopo. Son tomos de un elemento con igual nmero atmico pero diferentenmero de neutrones, es decir, distinto nmero msico.
Todos los elementos tienen istopos, se conocen aproximadamente 300, de ellos,algunos son radiactivos, stos tienen amplio campo de aplicacin en la medicina:en el tratamiento de tumores, en la esterilizacin de material y equipo quirrgico.En la industria del petrleo y en la petroqumica para separar fracciones; tambines posible utilizarlos en anlisis, trazos y seguimiento de ros, minerales ydetergentes; elaboracin de polmeros, produccin de energa, etctera. Laradiacin que producen los istopos puede daar los tejidos de los seres vivos, ya partir de ciertas dosis, causar tumores malignos y mutaciones genticas.
Desafortunadamente se han empleado en la fabricacin de bombas y con otrosfines blicos.
A continuacin te presentamos algunas aplicaciones tiles:
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En la agricultura los radioistopos se emplean como trazadores, para conocer laaccin de fertilizantes en el suelo y el aprovechamiento de las plantas.Comofuentes de energa radiante, los radioistopos se estn utilizando para mejorar lasplantas productoras de alimentos, por ejemplo: trigo, maz, frijol, avena, tambinse emplean para destruir grmenes e insectos.
Algunos istopos radiactivos se emplean en medicina e instrumentacin nuclear,
por ejemplo:11Na24Radiosodio: En forma de cloruro de sodio, se usa para estudiar problemascirculatorios.
53I31Radioiodo: En forma de ioduro de sodio, se emplea para estudiar la glndulatiroides.
6C14Radiocarbono: Es empleado en la determinacin de carbono o para establecerla antigedad de objetos de origen orgnico. Usado en arqueologa para ladeterminacin de edades.
92
U235 Radiouranio: Usado en reacciones nucleares.Smbolo: Es la representacin grfica de un elemento, fueron propuestos porBerzelius en 1814. Se forman por la primer letra del nombre del elemento la cualse escribe con mayscula; para diferenciar a los elementos que inician con lamisma letra, se emplea una segunda letra representativa del elemento la cualdeber ser minscula. Algunos smbolos no corresponden al nombre en espaol delos elementos debido a que estos provienen de palabras latinas o griegas. Porejemplo, Fe proviene de Ferrum, palabra latina con la que se designa al hierro; Sproviene del latn Sulphur; otros elementos tienen nombres de planetas como elMercurio, Hg que proviene del latn hidrargirum (plata lquida); Uranio, U por elplaneta Urano.
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Smbolos ms comunes.
Tabla 1.2 Smbolos qumicos
In: Es un tomo o molcula con carga elctrica que ha perdido o ganado
electrones. Cuando ceden electrones se convierten en iones positivos llamadoscationes (+), cuando ganan electrones se convierten en aniones (-). Loselementos metlicos son menos electronegativos por lo cual pierden electronesconvirtindose en cationes y los elementos no metlicos son ms electronegativospor ello ganan electrones y adquieren carga negativa.
Tabla 1.3 Tabla de cationes y aniones
Nombre Smbolo Nombre Smbolo
Aluminio Al Magnesio Mg
Argn Ar Mercurio HgAzufre S Nquel Ni
Bario Ba Nitrgeno NBromo Br Oro AuCalcio Ca Oxgeno O
Carbono C Plata AgCloro Cl Plomo PbCobre Cu Potasio KCromo Cr Silicio SiFlor F Sodio Na
Fsforo P Uranio UHidrgeno H Yodo I
Hierro Fe Zinc Zn
Cationes Nombre Aniones Nombre Aniones Nombre
Monovalentes Monovalentes Divalentes
Hg1+ Mercurio(I) At1- Astaturo SiO32- Silicato
Na1+ Sodio I1- Yoduro CO32- Carbonato
Cu1+ Cobre (I) Cl1- Cloruro SO32- SulfitoK1+ Potasio Br1- Bromuro SO4
2- SulfatoNH4
1+ Amonio F1- Fluoruro S2O32- Tiosulfato
Divalentes MnO41- Permanganato CrO4
2- CromatoPb2+ Plomo (II) CN1- Cianuro Cr2O7
2- Dicromato
Mg2+ Magnesio OH1- Hidrxido MnO42-
ManganatoNi2+ Nquel (II) ClO2
1- Clorito S2- SulfuroZn2+ Zinc ClO3
1- Clorato Se2- SelenuroCa2+ Calcio ClO4
1- Perclorato TrivalentesFe2+ Hierro (II) HS1- Sulfuro cido P3- FosfuroTrivalentes BO3
-1 Borato AsO43- Arseniato
Cr3+ Cromo (III) NO2-1 Nitrito PO4
3- Fosfato
Ni3+ Nquel (III) NO31- Nitrato Fe(CN)6
3- Ferricianuro
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Frmulas qumicas
Frmula: Representacin grfica de un compuesto. Muestra el tipo y la cantidadde tomos que lo constituyen. Existen diferentes tipos de frmulas, loscompuestos inorgnicos tienen frmula condensada y desarrollada; loscompuestos orgnicos presentan frmula condensada, semidesarrollada ydesarrollada.
Frmula molecular o condensada. Es la forma ms simple de representar uncompuesto, se compone de smbolos y subndices.
H2SO4Subndices: denotan el nmero de tomos de cada elemento.
Smbolos: Indican que elementos forman el compuesto.
Como observas la frmula molecular nos proporciona informacin cualitativa,porque nos indica que elementos estn presentes, pero tambin nos ofreceinformacin cuantitativa al indicar cuntos tomos de cada elemento hay.
Frmula semidesarrollada. Adems de la informacin que nos proporciona lafrmula condensada, indica como se agrupan los tomos en la molcula.
CH3CH2 CH2 CH3
Frmula desarrollada. Representa el tipo de enlaces entre los tomos, aunado alos datos proporcionados por la frmula condensada y semidesarrollada.
H H
H C C H
H H
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Reaccin qumica. Es un proceso por medio del cual, una o ms sustancias(reactivos), interactan y se transforman en otras (productos), como resultado dela ruptura y/o formacin de enlaces.
Ecuacin qumica. Es la representacin abreviada y simblica de una reaccinqumica. Debe cumplir con la ley de la conservacin de la materia, es decir, debeestar balanceada.
Mg (OH)2(s) + 2HCl(l) MgCl2(s) + 2H2O(l)
Reactivos Productos
Origina, produce.
Al observar atento la ecuacin; seguramente te has dado cuenta de la
informacin que nos proporciona y lo valiosa que es para comprender este procesoqumico.
La ecuacin muestra que los reactivos son el hidrxido de magnesio y cidoclorhdrico, formndose cloruro de magnesio y agua como productos. Tambinindica el estado de agregacin de todas las sustancias participantes (s),(l),(g), (ac);as mismo, seala que reacciona una molcula de hidrxido de magnesio con dosmolculas de cido clorhdrico, produciendo una molcula de cloruro de magnesioy dos de agua.
Todos los conceptos revisados en esta unidad son fundamentales para comprenderla QUMICA, y conforme avances en su estudio, el lenguaje ser ms amplio.
Recuerda la Qumica est en todas partes.
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1.4SISTEMAINTERNACIONALDEUNIDADES.
Desde tiempos muy antiguos, el hombre ha tenido la necesidad de medir, parasaber cual es la magnitud de un cuerpo, por ejemplo los egipcios empleaban labrazada como patrn, pero otras civilizaciones empleaban distintos patrones, loque provocaba que no existiera uniformidad.
La Qumica como ciencia cuantitativa mide las propiedades de la materia, por elloes indispensable que exista un sistema de medidas general. En 1960, en Ginebra,se reunieron cientficos de todo el mundo para establecer un sistema de unidadesque se empleara por todos los pases, acordndose adoptar el SistemaInternacional de Unidades. Este sistema se compone de 7 unidadesfundamentales que son:
MOLEs la unidad fundamental empleada en qumica, la cual se define como:
O bien como:
Magnitud Unidad SmboloLongitud Metro mMasa Kilogramo kgTiempo Segundo STemperatura Kelvin KCantidad de sustancia Mol mol
Intensidad de corriente Ampere AIntensidad luminosa Candela cd
Cantidad de una sustancia que contiene 6.02x1023
unidades fundamentales.
Cantidad de sustancia que contiene tantas unidades frmulacomo tomos hay exactamente en 12 g de carbono.
Tabla 1.4 medidas fundamentales del sistema internacional
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La masa de un mol de cualquier sustancia expresada en gramos se llama masamolar;
1 mol = masa molar en gr
1 mol = 6.02x1023unidades fundamentales.
Para calcular la masa molar de un compuesto se suman las masas atmicas de loselementos que la forman, expresndola en gramos.
Ejemplo:
Calcular la masa molecular de los siguientes compuestos:
H2O Agua.
Elementos No. de tomos Masa atmicaH = 2 x 1 = 2O = 1 x 16 = 16
Masa molecular = 18 uma1 mol de H2O= 18 g
H2SO4 cido sulfrico.
Elementos No. De tomos Masa atmicaH = 2 x 1 = 2S = 1 x 32 = 32O = 4 x 16 = 64
Masa molecular 98 uma1 mol de H2SO4=98 grNaHCO3 Carbonato cido de sodio.
Na=1x23 =23H= 1x1 = 1C= 1x12 = 12O=3x16 = 48
84 uma1 mol de NaHCO3=84 g
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Nmero de avogadro.
Es el nmero de partculas que contiene un mol de cualquier sustancia. Estenmero es igual a 6.02X1023 tomos de un elemento y equivale a la masa de untomo en umas.
1 mol = 6.02x1023
partculas.
Existen mltiplos o submltiplos de estas unidades, los cuales se indican conprefijos. Solo el kilogramo es una unidad fundamental y contiene un prefijo; estodebido a que anteriormente en el sistema mtrico se empleaba el gramo comounidad fundamental. Un kg equivale a l000 g (103g). Los prefijos empleados son:
Tabla 1.5 Prefijos del Sistema Internacional
Prefijo Smbolo Valor 10X Equivalenciaexa E 1 x 1018 trilln
peta P 1 x 1015 millar de billntera T 1 x 1012 billngiga G 1 x 109 mil millonesmega M 1 x 106 millnkilo k 1 x 103 milhecto H 1 x 102 ciendeca Da 1 x 10 diezunidad 1 unodeci d 1 x 10-1 dcimacenti c 1 x 10-2 centsimamili m 1 x 10-3 milsimamicro 1 x 10-6 millonsimanano n 1 x 10-9 mil millonsimapico p 1 x 10-12 billonsimafemto f 1 x 10-15 mil billonsimaatto a 1 x 10-18 trillonsima
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Las unidades fundamentales se combinan y forman unidades derivadas,como:
RAZONES BSICAS Y UNITARIAS.Razn bsica: es cualquier razn en la que el numerador y el denominador serelacionan de alguna forma. Ejemplos:
1 bicicleta 1 persona
2 llantas 2 ojos
2 tomos de hidrgeno 1 tomo de cloro
1 molcula de agua 1 molcula de sal (cloruro de sodio)
Magnitud Unidad Smbolorea o superficie metro cuadrado m2
Volumen metro cbico m3
Velocidad metro por segundo m/sAceleracin metro por segundo cuadrado m/s2
Densidad gramo por centmetro cbico g/cm3
Fuerza newton kg.m/s2Trabajo y energa joule N.mPresin pascal N/m2
Potencia watt Joule/sCalor de fusin Joule por kilogramo J/kgCalor de evaporacin Joule por kilogramo J/kg
Calor especfico Joule por kilogramo-kelvin J/kg.K
Potencial elctrico volt VCantidad de radiacin gray Gy
Dosis de radiacinabsorbida sievert
Sv
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Razn unitaria: son aquellas en las que el numerador y el denominador sonequivalentes. Ejemplos:
1 metro 24 hr 1 hora
100 cm 1 da 60 min
1 000 000 cm3 1 ao 760 mm de Hg1m3 1m3 365 das 1 atmsfera
Las razones unitarias se emplean para convertir unidades, el procedimientoconsta de los siguientes pasos.
Ejemplos de la conversin de unidades por medio de razones unitarias.
1.- Convertir 300m a cm.Primero establecemos la relacin de equivalencias.
1km=1000m
Posteriormente escribimos los factores unitarios para conversin.1m o 100cm100cm 1m
Seleccionar ahora el factor que cancele las unidades no desead
100cm300m 1m
Establecer la relacin de equivalencia entre lasunidades que se desean convertir.Escribir los factores unitarios para la conversin.Seleccionar el factor que nos pueda cancelar las
unidades no deseadas.Plantear la igualdad.Efectuar las operaciones.Obtener resultado.
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Observa que elegimos el factor que tiene como denominador la unidad a eliminar.
Una vez planteada la igualdad, efectuamos operaciones.
cmcmm
cmm
4103300001
100300 ==
=
2.- Convertir 70 km /h a m/s
mkm 10001 =
sh 36001 =
m
km
1000
1
km
m
1
1000
s
h
36001
h
s
13600
Como km est como numerador, elegimos el factor que tiene como denominador
km
m
1
1000
Seleccionamos ahora el factor
s
h
36001
Procedemos a escribir las dos razones y efectuar operaciones
s
m
s
h
km
m
h
km
44.1936001
11000
70 =
=
3.- Convertir 135 g de H2SO4 a mol.
En estos problemas primero calculamos la masa molar.
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H= 2x1= 2
S=1x32=32
O=4x16=64
98
1mol de H2SO4= 98 g
Obtenemos as los factores de conversin.
g
SOmolH
98
1 42
42198
SOmolH
g
Elegimos la razn y efectuamos operaciones.
4242
42 37.1981
135 SOmolHSOgHmol
SOgH =
4.- Convertir 250 m a gigametros.
1 gigametro= 1 000 000 000 m = 1x109m
1G=1x109 m
GGm
Gm 00000025.0105.2
101
1250 7
9 ==
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RESUMEN
La qumica es una ciencia que efecta estudios cualitativos y cuantitativosde la materia y la energa as como su interrelacin. Para ello realiza anlisis y
sntesis. A partir de estos procesos el hombre obtiene un gran nmero de
productos que mejoran su vida. Con base en el tipo de estudio que realiza, laQumica se divide en: Inorgnica, Orgnica, Analtica, Fsica y Bioqumica.
En nuestro pas esta ciencia se desarrolla desde la poca prehispnica yactualmente se realizan trabajos de gran importancia. Esta ciencia estudia lamateria definindola como todo aquello que tiene masa, energa, ocupa un lugaren el espacio, posee inercia y es susceptible a cambio, pero no puede serdestruida. Posee propiedades generales, esto significa que las tiene todo tipo demateria (masa, peso, volumen, inercia, impenetrabilidad, etc.) y propiedadesespecficas, las cuales sirven para clasificarla (punto de fusin, maleabilidad, color,ductibilidad, etc.). La materia est formada por molculas que son la parte mspequea en que se puede dividir, sin formar otra sustancia. Dependiendo de lafuerza de atraccin o repulsin entre molculas, la materia puede presentar tres
estados de agregacin, con propiedades fsicas diferentes, por variaciones detemperatura o presin puede cambiar de estado.
Otro campo de estudio de la Qumica lo ocupa la energa, consideradacomo el principio de la actividad de la masa. Desde el punto de vista de lamecnica se clasifica en potencial y cintica. La energa puede transformarseconstantemente.
La qumica, al igual que cualquier ciencia, posee un lenguaje propio pormedio del cual podemos comprenderla. Entre los trminos ms comunes tenemos:
Elemento: Son sustancias puras que no pueden descomponerse en otra
ms simples por mtodos qumicos ordinarios.
Mezclas: Son uniones fsicas, sus componentes conservan sus propiedadesindividuales, pueden separarse por mtodos fsicos o mecnicos.
Compuestos: Son uniones qumicas, sus componentes pierden suspropiedades individuales y adquieren nuevas, tienen composicin definida yconstante, poseen una frmula qumica, no se separan fcilmente.
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tomo: Esta palabra se emple para definir a la parte ms pequea en laque puede dividirse la materia, sin embargo actualmente se sabe que es divisible yest integrada por diversas partculas subatmicas como La partcula mspequea que puede participar en un cambio qumico1
Nmero atmico: Es igual al nmero de electrones o protones de untomo. Se representa con la letra Z.
Masa atmicaEs el promedio ponderado de los nmeros de masa de losdistintos istopos de un elemento qumico.
Ion:Es un tomo o molcula con carga elctrica que ha perdido o ganadoelectrones. Cuando ceden electrones se convierten en iones positivos llamadoscationes (+),cuando ganan electrones se convierten en aniones (-).
Frmula: Representacin grfica de un compuesto. Muestra el tipo y lacantidad de tomos que lo constituyen.
Reaccin qumica. Es un proceso por medio del cual, una o ms
sustancias (reactivos), interactan y se transforman en otras (productos), comoresultado de la ruptura y/o formacin de enlaces.
Ecuacin qumica. Es la representacin abreviada y simblica de unareaccin qumica. Debe cumplir con la ley de la conservacin de la materia, esdecir, debe estar balanceada.
1Ibidem. p. 32.
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ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
Realiza una lista de productos quimicos que empleas en los diferentesmbitos de tu vida. Analizando lo benefica y/o perjudicial que es laqumica.
Elabora un cuadro sinptico o mapa conceptual donde clasifiques laspropiedades de la materia, con sus respectivos ejemplos.
Lleva a cabo una prctica para conocer el material del laboratorio yclasificarlo. Realiza un cuadro de doble entrada donde compares las propiedades de
los estados de agregacin de la materia. En una prctica de laboratorio separa mezclas empleando diferentes
mtodos. Desarrolla problemas para determinar la energa potencial cintica. Enlista las diferencias entre una mezcla y un compuesto. El profesor proporcionar una lista de elementos, mezclas y compuestos y
los estudiantes basndose en sus propiedades los clasificarn. Emplea el SI de unidades y sus prefijos en la cuantificacin de las
propiedades de la materia
Efecta conversiones de unidades por medio de razones unitarias. Realiza lecturas en el aula y extractase, sobre los diferentes temastratados, con la finalidad de elaborar fichas de trabajo estudio.
Escribe un enzayo donde analices el desarrollo de la Qumica en nuestropas.
A partir de los nmeros atmicos y nmeros de masa de diferenteselementos determina su nmero de electrones, protones y neutrones.
Escribe una lista de fenmenos fsicos y qumicos, explicando porque seclasifican en un determinado grupo.
En equipos elabora cuestionarios sobre las propiedades generales yespecficas de la materia; posteriormente intercmbialas con otrosequipos.
Identifica los cambios de estado, por medio de una prctica delaboratorio.
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EVALUACIN
Relaciona correctamente las siguientes columnas
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
La qumica estudia la
Es una mezcla homognea.
Son ejemplos de cambios qumicos:
Objeto de la qumica que consiste en conocer la
estructura interna de la materia para poder
transformarla.
Estado de la materia que tiene viscosidad,
tensin superficial, puede fluir, su fuerza de
cohesin y repulsin es media.
Sustancia pura que no puede descomponerse
en otras ms simples.Nombre que reciben los iones positivos.
Como se denomina la representacin grfica de
un cambio qumico.
Las sustancias puras se subdividen en:
Son ejemplos de fenmenos fsicos
Partculas subatmicas con carga elctrica
negativa.
Es la parte ms pequea que puede participar
en un cambio qumico.
Es la representacin qumica de una molcula
mediante smbolos y subndices.
Un tomo que al combinarse pierde electrones
adquiere carga
Para que la materia cambie, requiere
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
KL
M
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
Z
Catin
Elemento
Lquido
Lluvia y sublimacin
Ecuacin qumica
Fotosntesis y digestin
Sntesis qumica
Compuesto y mezcla
Gaseoso
Petrleo
Materia, energa y cambioAnin
Anlisis qumico
Electrones de valencia
Protones
Positiva
Agua, sodio
Frmula qumica
Elementos y compuestos
Energa
xidos bsicos
Molcula
Electrones
tomo
Negativa
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Instrucciones: Lee atentamente cada planteamiento y subraya la respuestacorrecta.
1.- Son ejemplos de fenmenos qumicos
a) Lluvia y fermentacin b) Respiracin y digestin
c) Sublimacin y digestin d) Congelar agua y refraccin de la luz.
2.- Es una propiedad general de la materia
a) Ductibilidad b) Maleabilidad c) Conductividad elctrica d) Volumen
3.-El siguiente diagrama muestra algunos cambios de estado de la materia, indicacomo se denominan:
SLIDO LQUIDO
GASEOSO
a) 1-Evaporacin, 2-Sublimacin, 3-Fusin, 4-Condensacin
b) 1-Condensacin, 2-Fusin, 3-Sublimacin, 4-Evaporacin
c) 1-Sublimacin, 2-Evaporacin, 3-Fusin, 4-deposicin
d) 1-Condensacin, 2-Sublimacin, 3-Fusin, 4-Evaporacin
4.- De las siguientes propiedades cul pertenece a los gases:
a) Energa cintica baja b) Fuerza de cohesin muy baja
c) Forma definida d) Volumen definido
5.- Las sustancias puras se subdividen en:
a) Mezclas homogneas y compuestos b)Elementos y mezclas heterogneas
3
4 12
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c) Elementos y compuestos d) Elementos y mezclas homogneas
6.- El tomo est constituido por _________, los cuales poseen carga negativa,protones que poseen carga ________ y partculas neutras denominadas ________.
a) Electrones, neutra, neutrones b) Neutrones, positiva, electrones
c) Electrones, negativa, neutrones d) Protones, negativa, neutrones
7.- La suma de protones y neutrones determinan
a) Nmero atmico b) Valencia c) Masa atmica d) Peso molecular
8.- De las siguientes sustancias cul es una mezcla
a) Agua b) cido clorhdrico c) Oro d) Petrleo
9.- Que mtodo emplearas para separar una mezcla de alcohol y agua
a) Sublimacin b) Destilacin c) Evaporacin d) Decantacin
10.- Nombre que recibe el cambio del estado slido a gas
a) Destilacin b) Sublimacin c) Evaporacin d) Condensacin
11.- Estado de agregacin que posee forma y volumen definido
a) Slido b) Gaseoso c) Lquido d) Plasma
12.- Anlisis qumicos que determinan la cantidad de sustancias presentes en uncompuesto son:
a) Cualitativos b) Cinticos c) Fsicos d) Cuantitativos
13.- Simulan un aspecto de la realidad y sirven para comprender mejor unfenmeno
a) tomos b) Molculas c) Iones d) Modelos cientficos
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14.- Rama de la qumica que estudia las sustancias qumicas que interviene en losseres vivos
a) Analtica b) Orgnica c)Bioqumica d)Inorgnica
15.- Propiedades de los cuerpos de mantener su estado de reposo o movimiento
a) Dureza b)Resistencia c)Impenetrabilidad d) Inercia
16.- Son propiedades de los lquidos
a) Fluyen, se comprimen b) Tensin superficial y forma variable
c) Fuerza de cohesin y repulsin alta d) No tienen volumen fijo
17.- Se difunden rpidamente uno en otro, por debajo de la temperatura crtica selicuan
A) Gases b) Lquidos c) Slidos d) Plasma
18.- Cmo se denomina el paso del estado gaseoso a slido
a) Fusin b) Deposicin c) Evaporacin d) Licuefaccin
19.- Son uniones fsicas, cuyos componentes conservan sus propiedades y puedensepararse por mtodos fsicos.
a) Elementos b) Compuestos c) Mezclas d) Coloides
20.- Qu mtodo emplearas para separar petrleo, agua y aceite.
a) Destilacin b) Decantacin c) Sublimacin d) Filtracin
21.- Cmo se denomina al mtodo por medio del cual se separa un slido de granomuy fino y de difcil sedimentacin de un lquido.
a) Centrifugacin b) Cromatografa c) Destilacin d) Decantacin
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22.- Por medio de qu mtodo separas una mezcla de Yodo-Hierro.
a) Cromatografa b) Filtracin c) Sublimacin d) Decantacin
23.- Partcula subatmica con carga positiva (1+)
a) Neutrino b) Protn c) Electrn d) Neutrn
24.- Es igual al nmero de electrones o protones de un tomo
a) Masa atmica b) Nmero atmico c) Valencia d) Nmero de oxidacin
25.- Son los smbolos del sodio, potasio, cloro y fsforo
a) Na, K, Cl, P. b) Na, P, Cl, S. c) S, K, C, P. d) Na, P, C, K.
26.- Se denomina a la representacin abreviada y simblica de una reaccinqumica
a) Ecuacin qumica b) Frmula qumica c) Cambio qumico d)Frmula semidesarrollada
27.- Es la unidad fundamental de cantidad de sustancia en el sistemainternacional.
a) Gramo b) Metro c) Mol d) Kelvin
28.- Cul de las siguientes sustancias es una mezcla
a) Leche b) Agua c) cido sulfrico d) Sal comn
29.- Energa que posee un cuerpo por su composicin
a) Cintica b) Mecnica c) Elica d) Potencial
30.- Energa que se manifiesta debido a la naturaleza elctrica de la materia, comoresultado de la interaccin de cargas positivas y negativas.
a) Mecnica b) Elctrica c) Hidrulica d) Potencial
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31.- De la siguiente relacin de sustancias coloca dentro del parntesis una M sies una mezcla, una C si es un compuesto y una E si se trata de un elemento.
( ) Petrleo ( ) Mercurio ( ) Hidrgeno ( ) Bicarbonato( ) Refresco ( ) Plvora ( ) Amoniaco ( ) Tierra( ) Cemento ( ) Sal comn ( ) Tinta ( ) Acero( ) Aire ( ) Azcar ( ) Papel ( ) Bronce
( ) Agua ( ) Madera ( ) cido clorhdrico32.- Energa cuya expresin matemtica es hmgEp =
a) Cintica b) Inica c) Potencial d) Mecnica
33.- Cul de los siguientes cambios en un fenmeno qumico
a) Digestin b) Fusin de un metal c) Sublimacin del yodo d)Congelacin del agua
34.- Es la parte ms pequea en la que puede ser dividida una sustancia, sin queforme una nueva.
a) tomo b) In c) Molcula d) Elemento
35.- Calcula la masa molecular de los siguientes compuestos
Na2SO4 Mg (OH)2 KCl KHSO4 H2CO3 Al2S3 CO2
HMnO4 MgBr2 Fe2O3 Ca(NO3)2 Cu2O
36.- Por medio de razones unitarias realiza las siguientes conversiones:
25 metros a centmetros 7 horas a minutos
3.8 kilmetros a metros 2 gigametros a hectmetros60 km/h a m/s 90 m/min a km/h32000 nanmetros a metros 5x104 centmetros a decmetros7x102 termetros a decmetros
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37.- A cuntos mol equivalen
a) 250 g de HNO3 b) 145 g de Ca(OH)2
c) 380 g de Na2SO4 d) 37 g de H2O
38.- Cuntas partculas contienen
a) 2 mol de HCl b) 0.75 mol de CO2
39.- Cul es la masa molecular de
a) 0.75 mol de CaCO3 b) 2.3 mol de Cr(OH)3
c) 3 mol de Fe2O3 d) 0.5 mol de KCl
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NOTAS
1. G.A. OCAMPO. Fundamentos de Qumica 1, p. 7
2. A. GARRITZ, J.A CHAMIZO. Qumica, p. 27.
3. A. GARRITZ, JA. CHAMIZO. Qumica, p. 32.
4. Ibidem, p. 40
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UNIDAD2ESTRUCTURA ATMICA
OBJETIVOSDEAPRENDIZAJE:
Reconocer la naturaleza discontinua de la materia.
Describir la evolucin del concepto de tomo y conocer las partculas que loscomponen.
Describir que son y que explican los valores de los nmeros cunticos.
Conocer e interpretar la teora de la naturaleza dual de la luz y de los electrones.
Elaborar configuraciones electrnicas e interpretar su significado.
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2.1 ANTECEDENTES A LA TEORA ATMICA DE DALTON
En la unidad anterior se te mencion que el campo de estudio de la qumica es lamateria del universo, que el universo es un gran conjunto de mezclas. Elestudio de stas nos conduce al estudio de tomos y molculas, lo cual nos permite
explicar las propiedades y el comportamiento de la materia en general, hechos quehan servido al hombre para transformarla en su beneficio. La figura 2.1 explica enforma simplificada y en secuencia los componentes del macrocosmos hasta llegaral universo microscpico, el mundo de las molculasy lostomos.
UNIVERSO TIERRA MEZCLAS COMPUESTOS ELEMENTOS
MEZCLAS MOLCULAS TOMOS
MACROCOSMOS MICROCOSMOS
Fig. 2.1 La materia del universo. La secuencia de la integracin de la materia puede leerse en dosdirecciones.
Resea sobre la concepcin y origen de la materia
Siempre ha sido una inquietud para el hombre conocer la naturaleza de lamateria, su esencia y su comportamiento. Los primeros que trataron de obtenerinformacin al respecto fueron los filsofos griegos quienes describieron susobservacionesy teorassobre los fenmenos naturales. Mediante la observacin,el anlisisy su gran capacidad de asombrotrataban de dar identidady sentidoa
La existencia del Universomacroscpico
La estructura y comportamientodel Universo microscpico.
Se explica a partir de
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su existencia y de todo lo que les rodeaba. Sin contar con instrumentos otecnologa para llevar a cabo sus observaciones y anlisis, demostraban sus ideascon procedimientos mentales lgicos.
Tabla 2.1 Cronologa acerca de las ideas sobre la esencia del universo
POCA
624 546 A. C.
610 547 A. C.
588 524 A. C.
510 470 A. C.
535 475 A. C.
490 430 A. C.
500 328 A. C.
460 A.C.
460 370 A. C.
384 322 A. C.
200 XVIII D. C.
1743-1794
CIENTFICO
Tales de Mileto
Anaximandro
Anaximandro deMileto
Parmnides
Herclito
Empdocles
Anaxgoras
Leucipo
Demcrito
Aristteles
Alquimistas
Lavoisier.
CONSIDERACIN SOBRE LA ESENCIA DEL
UNIVERSOAgua
Lo indefinido
Aire
Todo lo eterno, sentido o razn.
Fuego, fuerza viva que todo lo crea y todo lo destruye.
Todos los fenmenos naturales, estn integrados porelementos cuya unin o separacin est determinada por 2grandes fuerzas, odio - amor.
Fuerza ordenadora, espritu o entendimiento, considerasemillas o partes mnimas al aire, agua, fuego y tierra.
Habla de la cosmogona de los tomos retomndolos como los4 elementos tierra, agua, aire y fuego.
Hacia 400 a. C. Propone que la materia est compuesta porpartculas pequeas e indivisibles de diferentes formas ytamaos que al cambiarse en distintas proporciones, formantodo. Desarrolla una explicacin atomstica.
Rechaza la teora de Demcrito y propone que el origen detodo era el agua, aire, tierra y fuego. (Teora que perdurdurante siglos, casi 2000 aos).
Con la bsqueda de la piedra filosofal y el elxir de la vida,desarrollan tcnicas de anlisis e inventan aparatos para susexperimentos.
Con su ley de conservacin de la masa inicia la qumica comociencia.
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2.2 TEORAATMICADEDALTON
Es increble que fueran necesarios casi veinte siglos para que la idea de que lamateria estaba formada por tomos resurgiera, desde las concepciones griegas (400a. C.), por Demcrito y Leucipo, hasta 1803, en que el qumico ingls John Daltonretoma la idea. Para ubicarnos en la poca, a continuacin se presentan algunoshechos que propiciaron el surgimiento de la Teora Atmica de Dalton:
Tabla 2.2 Antecedentes a la teora Atmica de Dalton
EPOCA ACONTECIMIENTOS
Finales delsiglo XV
Finales delsiglo XVII
1661
poca de la alquimia, destaca lateora del flogisto desarrollada por Stahl.poca de la Iatroqumica, se disean instrumentos de anlisis qumico, se preparandestilados de sustancias puras como el cido benzoico. Un cientfico importante esParacelso.Robert Boyle d una definicin de elemento.Se reconoce que los cuerpos pueden cargarse elctricamente y se descubre elcapacitor.
17501756
176617721771 1774
Descubrimiento de GalvaniBlack descubre el bixido de carbono (CO2) llamado entonces aire fijado.
Cavendish descubre el hidrgeno (H2).Rutherford descubre el nitrgeno (N2) o aire flogistado.Escheele y Priestley descubren el oxgeno o aire deflogistado.
Hasta antes de1800
Lavoisier en Francia y Lomonosov en Rusia, usan la balanza en sus experimentospara averiguar las transformaciones de la masa en las reacciones qumicas.Lavoisier enuncia la ley de la conservacin de la masa.Charles enuncia su ley de los gases.Coulomb enuncia la ley de las atracciones electrostticas.Volta disea la pila voltaica.
Durante laprimera mitaddel siglo XIX
Se conocen las leyes ponderales de la qumica.Surge la teora atmica de Dalton.Se determina la composicin del agua por electrlisis.Se descubren los metales sodio (Na) y potasio (K).Surgen las leyes de la electricidad: Ley de Ohm, Ley de Ampere, Primera Ley deFaraday. Este cientfico encontr la relacin entre cantidad de carga elctrica y
cantidad de sustancia que reacciona en una electrlisis.*
Dalton trat de explicar las relaciones entre las masas de los compuestos y en lasreacciones qumicas, sugiri que los elementos estn constituidos por tomos los
* Electrlisis; proceso que produce una reaccin qumica por efecto del paso de una corrienteelctrica.
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cuales son minsculas partculas esfricas, compactas e indivisibles. Su teoraatmica contena ocho postulados, de ellos destacan:
Postulados de la teora atmica de Dalton
Hoy sabemos que los tomos si son divisibles, adems para un elemento qumicosus tomos pueden tener distinta masa, los tomos de un elemento se puedentransmutar en tomos de otro elemento mediante cambios nucleares.
Aunque algunos de los postulados de Dalton eran equivocados, representaron ungran avance cientfico para la poca. Prcticamente lo que Dalton hizo fuereorganizar los conocimientos de su poca, por este trabajo es considerado poralgunos cientficos, el Padre de la Teora Atmica Moderna. Tuvo que pasar ms
tiempo, y durante ste, haberse descubierto nuevos hechos, que dieron luz alconocimiento de la estructura de la materia. A continuacin listamos y describimosalgunos de ellos.
1.- Todos los elementos estn formados por
partculas extremadamente pequeas e indivisiblesllamadas tomos.
2.- Los tomos de un mismo elementos tienen igualmasa y las mismas propiedades, que difieren de las de otroselementos.
3.- Los compuestos se forman por combinacionesentre tomos de diferentes elementos en relaciones denmeros sencillos.
4.- Los tomos de dos o ms elementos se puedencombinar en ms de una proporcin para formarcompuestos diferentes.
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2.3ANTECEDENTESDELATEORAATMICAMODERNA
Tabla 2.3 Antecedentes a los modelos atmicos con estructura electrnica
*Experimentos que se detallan con mayor amplitud
Descubrimiento de los rayos x. Whillhen Rentgen descubri en 1895 los rayosX mientras experimentaba con la produccin de rayos catdicos usando tubos dedescarga cubiertos de papel negro.
El haz de electrones en el tubo generaba una radiacin de pequea intensidadque daba origen a la fluorescencia de un material situado en la proximidad.
EPOCA ACONTECIMIENTOS
Segunda mitad delsiglo XIX
18651869
189518961899
Se enuncia la ley de los volmenes de combinacin.Surge la Hiptesis de Avogadro.Berzelius propone la simbologa nica para los elementos qumicos.Surge el concepto de valencia.Canizzaro acepta la idea de Avogadro sobre la existencia deelementos diatmicos. Construye una tabla de pesos atmicos.Se desarrolla la sntesis de compuestos orgnicos a partir de lasntesis de urea.Se enuncia la teora cintica molecular.Surge la qumica orgnica estructural, la estereoqumica y laqumica de coordinacin.Se determina el Nmero de Avogadro.Mendeleiev clasifica a los elementos por sus pesos atmicos.Se enuncian las Leyes del electromagnetismo de Maxwell.
Generacin comercial de electricidad.Teora de la disociacin electroltica de Arrhenius.Lmpara de Edison.
Experimentos con tubos de descargaDescubrimiento de los Rayos XDescubrimiento de la radiactividad.Descubrimiento del ELECTRN *
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Dedujo que se trataba de una radiacin especial desconocida por lo que la llamrayos - X. Fue sorprendente para l observar que al colocar la mano en latrayectoria de la luz, sobre la pantalla se proyect su esqueleto. En lo sucesivo yen la actualidad, este descubrimiento es de gran utilidad en diversos tratamientosmdicos gracias a las radiografas.
Descubrimiento de la radiactividad
En 1896, Henri Bequerel descubri accidentalmente la radiactividad cuandotrataba de saber si las sustancias fluorescentes producan rayos - Xtrabajando consales de uranio. Encontr que la simple cercana de la sustancia con la pelculafotogrfica guardada en un cajn obscuro, velaba sta. Concluy que el uranioemita una radiacin desconocida, a la que Madame Curie le llam posteriormente
radiactividad. En 1899, Bequerel comprob que las radiaciones eran sensibles ala presencia de un campo magntico. Esto fue la pauta para que tiempo despusRutherford demostrara en que consistan las emisiones radiactivas, stas son:
Partculas alfa , atradas por el electrodo negativo (-) de un campo elctrico omagntico, actualmente se consideran ncleos de helio.
Partculas beta , de mayor poder de penetracin que la partculas , al atravesarun campo elctrico son atradas por el electrodo positivo (+). Se trata deelectrones.
Radiacione gama, las ms penetrantes de todas, son elctricamente neutras, seconsideran fotones de alta energa.
Las emisiones radiactivas producen en los tomos un decaimiento. Ejemplo:
Decaimiento alfa XXZAA
Z
24
24
Decaimiento beta XX ZAZA +110
Decaimiento gama XXZA
ZA 0
0
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Tabla 2.4 Caractersticas de las emisiones radiactivas
Experimentos con tubos de descarga
El descubrimiento del electrn tuvo lugar despus de un intenso trabajo sobre laconduccin de electricidad en sistemas gaseosos, empleandotubos de descarga.Experimentos con estos dispositivos demostraron de manera contundente que la
materia es de naturaleza elctrica y surge una mayor inquietud sobre ladivisibilidad del tomo.
Un tubo de rayos catdicos es undispositivo con muy poco gas ensu interior a baja presin y con dosplacas metlicas o polos; unopositivo (+) llamado nodo, y otro
negativo (-) llamado ctodo; entreellos se hace pasar una corrienteelctrica de alto voltaje, cuandose aplica esta diferencia depotencial surge una luminiscenciaque fluye del ctodo al nodo.
Emisin Simbolo Representacin Masa (uma) Carga Poder de penetracin
Alfa
Beta
Gama
4He2
e
00
4
0
0
2+
1-
0
Poco, pueden ser detenidas por undelgado vestido de algodn.
Mayor que las anteriores, son
detenidas por placas de aluminio de0.3 mm de espesor.
El mas elevado, causan severasalteraciones en los rganos internosde seres vivos, son detenidas porlminas de plomo de 3 mm deespesor o de aluminio de 5 cm.
El fenmeno de la radiactividad aport nuevas ideassobre la divisibilidad del tomo
Fig. Tubo de rayos catdicos.Choppin, p.170
04
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A finales del siglo XIX, W.Crooks observ el fenmeno que seproduca al pasar una fuerzaelectromotriz entre dos electrodoscolocados en un tubo de descarga, ladiferencia de potencial generaba unhaz de rayos proveniente del
electrodo negativo o ctodo, a stosrayos les llam rayos catdicos, porsu carga son desviados por camposelctricos y magnticos.
En las figuras 2.2, 2.3 y 2.4 semuestran distintos arreglos en lostubos de rayos catdicos quellevaron a Crooks a emitir lassiguientes conclusiones:
Fig. 2.3. Tubo de rayos catdicos quemuestra su desviacin en la direccin delpolo positivo (+). Choppin.p.170.
Fig. 2.4. Tubo de rayos catdicos, haciendogirar un objeto atravesado en su camino.Garritz.p.324.
1.-Los rayos catdicos pueden ser desviados en un campoelctrico o magntico.
2.- Producen fluorescencia en las paredes del tubo.
3.- Poseen mpetu y energa.
4.-Las propiedades de los rayos eran las mismasindependientemente de que se sustituyeran las placas delctodo por diferentes metales.
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Descubrimiento del electrn
En 1897, Joseph John Thomson apoyado en los experimentos de Crooks, diseun experimento que le permiti medir el grado de desviacin de los rayoscatdicos al actuar sobre ellos campos elctricos y magnticos de diferenteintensidad, Thomson pudo determinar la relacin entre la carga y la masa, losnombr electrones; como antes los haba llamado George Stoney en 1891.
Para calcular la relacin consider:
1. Que una partcula cargada que se mueve a travs de un campomagntico recibe una fuerza que la hace circular y que puede determinarse por:
2.-Que la fuerza magntica es similar a la naturaleza de la fuerza centrpeta Fc,cuyo valor es:
3. Al igualar la fuerza magntica y la fuerza centrpeta se tiene:
Arreglando la igualdad y simplificando, tenemos:
Donde: =m
qRelacin carga/masa del electrn (C/kg)
=v velocidad de las partculas (m/s)=B induccin magntica (wb/ m2)=r radio del crculo que describe la partcula desviada por el campo (m).
qvBF=
r
mvFc
2
=
r
mvqvB
2
=
Br
v
m
q
vBr
v
m
q==
2
72
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Encontr que la relacin carga/masa del electrn es de:
e /m= 1.759 x 1011C*/kg
= 1.759 x 108C/g
*Un coulombio (C) es una cantidad de carga elctrica, equivale a la cantidad de electricidad necesaria
para depositar 1.118x10-3 g de plata (Ag) en una electrlisis.
Del trabajo de Thomson se deduce que los electrones son partculasfundamentales existentes en todos los tomos y en un nmero entero definido paracada tipo.
Determinacin de la carga del electrn
El fsico Norteamericano RobertMillikan dise un experimento usandogotas de aceite pulverizado; aplicandola Ley de Stokes pudo medir suvelocidad de cada por accingravitatoria y por efecto electrosttico,estas gotas eran cargadaselctricamente con oxgeno ionizadomediante rayos X. Determin un valorpara la carga del electrn de 1.59 x 1019C.
A partir de la relacin carga/masa determinada por Thomson, se pudo calcular lamasa del electrn.
e-/m = 1.759 x 10-19C/kg
kgxkgCx
Cxm
3111
19
1009.9/10759.1
1059.1
==
Fig. 2.5 Experimento de Millikan Burns, p.125.
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Descubrimiento del protn
Los experimentos con tubos de descarga permitieron observar una corriente departculas de carga positiva (+), estas partculas fueron descubiertas por EugenGoldstein en 1986 a las que llam rayos canales, partculas fundamentales con lamisma carga del electrn (e-) pero con una masa casi 2000 veces mayor, queviajaban del nodo al ctodo a travs de unas perforaciones hechas en placasmetlicas en un arreglo especial de un tubo de descarga, estas partculas son los protones.
Con esto se demuestra la existencia de la primera partculasubatmica; el electrn, descubrimiento que marcara la pautapara seguir investigando sobre la estructura de la materia ycomprobar que la clave para el estudio del tomo definitivamenteest en la naturaleza elctrica de ste.
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2.4MODELOSATMICOSCONESTRUCTURAELECTRNICA
Modelo atmico de kelvinthomsonLord Kelvin y Thomsonsugirieron que el tomo era unaesfera de carga (+) homognea encuyo interior se encontraban loselectrones (e-) a manera de pasasen un budn. Este modelo explicahechos como; la emisin de la luzpor tomos excitados, la existenciade metales y no metales y lapresencia de materialesradiactivos. Respalda su modelocalculando que en l los electronesvibran con la frecuencia de la luzvisible, ste modelo perdur hasta
1911.
A principios del siglo XX, era claroque los tomos contenan regiones ozonas de carga (+) y (-); as surge lainquietud de la forma en que esascargas se distribuyen.
Modelo atmico de Perrin
Perrin modific el modelo deThomson sugiriendo que las cargasnegativas (-) son externas a la masapositiva (+). Fue el primer cientficoen considerar que las cargaselctricas negativas se encontrabanen la periferia de la masa y cargapositiva.
Fig. 2.6 Modelo atmico de Kelviin-Thomson
Fig. 2.7 Modelo atmico de Perrin
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Modelo atmico de Rutherford
Casi simultneamente al experimento de Millikan, Ernest Rutherford establecique las partculaseran positivas (+) y emitidas por tomosradiactivos
Planeando experimentos, Ernest Ruherford y sus colaboradores Marsden yGeiger, en 1910, bombardearon delgadas lminas de oro (Au) y platino (Pt) con
partculas procedentes de una fuente radiactiva.
Detrs de la lmina de Au colocaron una pantalla de sulfuro de zinc (ZnS) paraobservar la dispersin de las partculas sobre la lmina deAu. Observaron quela mayora de las partculas la atravesaban sin modificar su trayectoria, unascuantas se desviaban una ligera proporcin de su ngulo original y menorcantidad de partculas rebotaban hacia atrs de la lmina.
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