La Qumica estudia la materia, su estructura molecular y atmica, sus propiedades y sus reacciones, y las leyes que rigen esas reacciones

Instituto de Estudios Superiores Hernando Arias de Saavedra

_______________________________________________________________La Qumica estudia la materia, su estructura molecular, atmica, sus propiedades, reacciones, y las leyes que rigen esas reaccionesMATERIA:

Es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar y un espacio en el universo, y que somos capaces de identificar y conocer.La materia presenta dos tipos de propiedades: propiedades extensivas y propiedades intensivas.

Glosario

Punto de ebullicin: temperatura a la cual una sustancia pasa del estado lquido al gaseoso.Calor especfico: cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado centgrado (1C).Punto de fusin: temperatura a la cual una sustancia pasa del estado slido al lquido.Molcula: es una agrupacin estable de tomos, unidos por un tipo de enlace qumico llamado enlace covalente.

Las propiedades extensivas se relacionan con la estructura qumica externa; es decir, aquellas que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de la materia. Por ejemplo: peso, volumen, longitud, energa potencial, calor, etctera. Las propiedades intensivas, en cambio, tienen que ver ms con la estructura qumica interna de la materia, como la temperatura, punto de fusin, punto de ebullicin, calor especfico o concentracin (ver glosario para estos tres ltimos trminos), ndice de refraccin, entre otros aspectos.

Estados de la materia

La materia normalmente presenta tres estados o formas: slida, lquida o gaseosa. Sin embargo, existe un cuarto estado, denominado estado plasma, el cual corresponde a un conjunto de partculas gaseosas elctricamente cargadas (iones), con cantidades aproximadamente iguales de iones positivos y negativos, es decir, globalmente neutro.

El estado slido se caracteriza por su resistencia a cualquier cambio de forma, lo que se debe a la fuerte atraccin que hay entre las molculas que lo constituyen; es decir, las molculas estn muy cerca unas de otras.

En el estado lquido, las molculas pueden moverse libremente unas respecto de otras, ya que estn un poco alejadas entre ellas. Los lquidos, sin embargo, todava presentan una atraccin molecular suficientemente firme como para resistirse a las fuerzas que tienden a cambiar su volumen.

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En cambio, en el estado gaseoso, las molculas estn muy dispersas y se mueven libremente, sin ofrecer ninguna oposicin a las modificaciones en su forma y muy poca a los cambios de volumen. Como resultado, un gas que no est encerrado tiende a difundirse indefinidamente, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad.

La mayora de las sustancias son slidas a temperaturas bajas, lquidas a temperaturas medias y gaseosas a temperaturas altas; pero los estados no siempre estn claramente diferenciados. Puede ocurrir que se produzca una coexistencia de fases cuando una materia est cambiando de estado; es decir, en un momento determinado se pueden apreciar dos estados al mismo tiempo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua llega a los 100C (en estado lquido) se evapora, es decir, alcanza el estado gaseoso; pero aquellas molculas que todava estn bajo los 1001C, se mantienen en estado lquido.Cambio de estado

En fsica y qumica se denomina cambio de estado a la evolucin de la materia entre varios estados de agregacin sin que ocurra un cambio en su composicin. Los tres estados ms estudiados y comunes en la tierra son el slido, el lquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregacin ms comn en nuestro universo es el plasma, material del que estn compuestas las estrellas (si descartamos la materia oscura).

La fusin es el cambio de estado de slido a lquido.

Por el contrario la solidificacin o congelacin es el cambio inverso, de lquido a slido.

La vaporizacin es el cambio de estado de lquido a gas.

Por lo contrario la licuacin o condensacin es el cambio inverso, de gas a lquido.

La sublimacin es el cambio de estado de slido a gas.

Por el contrario la cristalizacin es el cambio inverso, de gas a slido.

La ionizacin es el cambio de estado de un gas a plasma.

En caso contrario, se le llama deionizacin.

Teora cintica molecularLos dos parmetros de los que depende que una sustancia o mezcla se encuentre en un estado o en otro son: temperatura y presin. La temperatura es una medida de la energa cintica de las molculas y tomos de un cuerpo. Un aumento de temperatura o una reduccin de la presin favorecen la fusin, la evaporacin y la sublimacin, mientras que un descenso de temperatura o un aumento de presin favorecen los cambios opuestos.

Al calentar la sustancia la agitacin de las partculas es mucho mayor, es decir, sube la temperatura. Hay que aclarar que la agitacin no es la que provoca el calor, sino que la agitacin es el propio calor. Si la sustancia es slida y la agitacin de sus partculas es suficiente, entonces la sustancia puede pasar de ser lquida a gaseosa, dependiendo del grado de agitacin de las partculas, facilitando as la fusin, vaporizacin o sublimacin de la sustancia.

Por el contrario al enfriar dicha sustancia la agitacin de las partculas disminuye y permite realizar los cambios contrarios: solidificacin, licuacin o condensacin, sublimacin regresiva.

En ninguno de los cambios de estado las partculas se quedan quietas. Cuando las partculas estn en estado slido, vibran; cuando reciben energa en forma de calor aumenta la energa de las vibraciones lo que se traduce como un aumento de temperatura. Llega un momento en el que la vibracin es tan alta que vence las fuerzas que mantienen juntas a las partculas, y as se sucede el cambio de estado. De igual forma ocurre con el cambio de estado de lquido a gaseoso.

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El calor necesario para que se produzca el cambio de estado de una sustancia se llama calor latente (L). Segn el cambio de estado que sufra la sustancia puede ser, calor latente de fusin (Lf), calor latente de vaporizacin (Lv) o calor latente de sublimacin (Ls). El calor latente puede calcularse a partir de dos datos:

(a) la masa (m) de la sustancia que sufre el cambio de estado y

(b) la cantidad de calor (Q) necesaria para producir el cambio.

De acuerdo con la frmula

Cambios fsicos y qumicos de la materia

Aunque al mirar a nuestro alrededor podemos apreciar distintos estados de la materia (por ejemplo, una silla es materia en estado slido, la leche un lquido y el humo de las fbricas es gaseoso), en la naturaleza ocurren infinitos cambios a cada instante.

Si tomamos, por ejemplo, un vaso con agua (estado lquido), observaremos que el agua ocupa el espacio interno del vaso. Luego, si colocamos en un recipiente el agua contenida en el vaso y la calentamos, veremos que en cierto momento comienzan a observarse burbujas en la superficie, y el agua en estado lquido pasa a ser vapor de agua (estado gaseoso). Este evento, que es comn observar en nuestra vida diaria, corresponde a un cambio de estado de la materia.

El agua, tanto en estado lquido como en estado gaseoso, presenta la misma composicin qumica (H2O). Los cambios de estado de cualquier material en los que su composicin qumica permanece invariable se denominan cambios fsicos.

Ahora, si tenemos agua mezclada con azcar (agua azucarada) y la calentamos hasta evaporar toda el agua posible, en el recipiente queda el azcar; es decir, se obtienen los materiales iniciales: agua (ahora en forma de vapor) y azcar. As, cuando mezclamos dos materiales y podemos separarlos por procedimientos fsicos, entonces el cambio ocurrido tambin es un cambio fsico. Otros tipos de cambios fsicos pueden ser patear una pelota o romper una hoja de papel. En todos los casos podra cambiar la forma, como cuando cortas el papel, pero la sustancia se mantiene, es decir, el papel sigue estando ah.

Pero existe otro tipo de cambio que s modifica la estructura qumica de uno o ms materiales. Es el que se conoce como cambio qumico. Este sucede cuando el material experimenta una transformacin en su estructura qumica, _______________________________________________________________

como consecuencia de su interaccin o relacin con la estructura qumica de otro material, transformndose ambas estructuras. Esto da como resultado la formacin de un nuevo material con caractersticas diferentes a las iniciales; es decir, ocurri una reaccin qumica.

Sustancia qumica es cualquier material con una composicin qumica definida, sin importar su procedencia.[1] por ejemplo, una muestra de agua tiene las mismas propiedades y la misma proporcin de hidrgeno y oxgeno sin importar si la muestra se asla de un ro o se crea en un laboratorio.

Una sustancia pura no puede separarse en otras sustancias por ningn medio mecnico.[2] estas sustancias pueden clasificarse en dos grupos; elementos y compuestos. Los elementos estn formados por tomos de un mismo nmero atmico y los compuestos puros son combinaciones de dos o ms elementos en una proporcin definida. Sustancias qumicas tpicas que se pueden encontrar en el hogar son agua, sal (cloruro de sodio) y azcar (sacarosa). en general, las sustancias existen como slidos, lquidos, o gases, y pueden transformarse entre estos estados de la materia mediante cambios en la temperatura o presin.

el concepto de sustancia qumica se estableci a finales del siglo XVIII con los trabajos del qumico Joseph Proust sobre la composicin de algunos compuestos qumicos puros tales como el carbonato cprico.[3] Proust dedujo que:

todas las muestras de un compuesto tienen la misma composicin; esto es, todas las muestras tienen las mismas proporciones, por masa, de los elementos presentes en el compuestoSustancias orgnicas e inorgnicas

Entre las diferencias ms importantes se encuentran: Todas las sustancias orgnicas utilizan como base de construccin al tomo de carbono y unos pocos elementos ms, mientras que en las sustancias inorgnicas participan a la gran mayora de los elementos conocidos.

Las sustancias orgnicas se forman naturalmente en los vegetales y animales.

La totalidad de los compuestos orgnicos estn formados por enlaces covalentes, mientras que los inorgnicos lo hacen mediante enlaces inicos y covalentes

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SISTEMAS MATERIALES

Se denomina sistema material a la porcin de materia que es objeto de estudio

CLASIFICACIN.SISTEMAS DISPERSOS

SistemaEjemplo

GaseosoGas en gasAire

Lquido en gasNiebla, espuma

Slido en gasHumo

LquidoGas en lquidoSoda, oxgeno en agua

Lquido en lquidoAceite en agua

Slido en lquidoArena en agua, tinta china

SlidoGas en slidoHielo en aire, piedra pome

Lquido en slidoAgua en arena

Slido en slidoArena y azufre en polvo

-Sistema Material

Porcin de materia que se aisla para su estudio.- Sistema Homogneo

Es aquel sistema que en todos los puntos de su masa posee iguales propiedades fsicas y qumicas (mismas propiedades intensivas). No presenta solucin en su continuidad ni aun con el ultramicroscopio.Sustancia Pura

Sistema homogneo con propiedades intensivas constantes que resisten los procedimientos mecnicos y fsicos del anlisis.- Simples

Sustancia pura que no se puede descomponer en otras. Esta formada por tomos de un mismo elemento.

- Compuesto

Sustancia pura que se puede descomponer en otras. Esta formada por tomos de diferentes elementos.

- Solucin

Sistema homogneo constituido por dos o ms sustancias puras o especies qumicas.- Soluto

Sustancia en menor abundancia dentro de la solucin.

- Solvente

Sustancia cuyo estado fsico es el mismo que el que presenta la solucin.

- Sistema Heterogneo

Es aquel sistema que en diferentes puntos del mismo tiene distintas propiedades fsicas y quimeras (distintas propiedades intensivas). Presenta solucin en su continuidad (superficie de separacin).- Dispersin Grosera

Sistemas heterogneos visibles a simple vista.

- Dispersin Fina

Sistema heterogneo visible al microscopio (10000000 A < partculas < 500000 A).- Suspensiones

Dispersiones finas con la fase dispersante liquida y la dispersa slida.

- Emulsiones

Dispersiones finas con ambas fases liquidas.

Dispersin Coloidal

Sistema heterogneo no visible al microscopio, visible al ultramicroscopio.

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Mtodos de separacinLA DECANTACIN:Se usa para separar mezclas formadas por slidos y lquidos o por ms de dos o ms lquidos no miscibles (no solubles). Consiste en dejar reposar el lquido que contiene partculas slidas en suspensin.

Luego se transvasa con cuidado el lquido (menos denso) a otro recipiente, puede utilizarse una varilla de vidrio a fin de retenerse alguna partcula slida que trate de pasar.

Esta tcnica se utiliza tambin con lquidos no miscibles, como el agua y el aceite. Se emplea con frecuencia el embudo de separacin o de decantacin.

Se coloca en el embudo la mezcla y cuando se hallan diferenciado las dos partes, abre la llave y se separan los lquidos. La capa superior pertenece al lquido menos denso y queda dentro del embudo. (Figura 1)

LA FILTRACIN Se usa para separas slidos no solubles en lquidos. La separacin se hace por medios porosos que retienen las partculas slidas y dejan pasar el lquido; algunos son:

Papel de filtro.

Fieltro.

Porcelana Porosa.

Algodn.

Lana de vidrio.

Arena.

Carbn.

Segn la mezcla que se valla a filtrar (figura 2)

_______________________________________________________________DESTILACIONLas soluciones (sistemas homogneos) o mezclas de lquidos miscibles pueden separarse por cambios de estado Congelacin , Evaporacin y Condensacin para separar los componentes de una solucin se emplea con frecuencia la destilacin; tambin se usa para purificar las sustancias lquidas.

El agua se destila con el fin de eliminar las sales contenidas en sta. La destilacin se basa en la diferencia de los puntos de ebullicin de sus componentes. Se calienta la solucin y se concentran los vapores, la sustancia que tiene menor punto de ebullicin (ms voltil se convierta en vapor antes que la otra, sta primera sustancia se hace pasar al condensador para llevarla a estado lquido. CRISTALIZACINEn ste proceso se utilizan los puntos de solidificacin, la solucin se enfra hasta que uno de sus componentes alcance el punto de solidificacin, y se cristalice. Se emplea adems para purificar slidos, disolviendo un slido impuro en el disolvente adecuado en caliente. Al bajar la temperatura, el primer slido se cristaliza, con lo cual quedar libre de impurezas.

MAGNETISMOSe vale de las propiedades magnticas de algunos materiales. Se emplea para separar mezclas en donde uno de sus componentes es magntico, por ejemplo, para separar el hierro del mineral llamado magnetita (Fe3O4). (Figura4).

CROMATOGRAFASe basa en la diferente absorcin y adsorcin de algunos materiales que ejercen sobre los componentes de la solucin. Hay varias clases de Cromatografa, de columna, de capa delgada y de papel etc.

TAMIZADO:Procedimiento mecnico empleado para separar mezclas de slidos, cuyas partculas tienen distinto tamao. Se utiliza un tamiz, aparato que consta de tres partes: el cedazo, el recipiente y la tapa; los tamices se clasifican por el numero de mayas que lleve el cedazo por centmetro cuadrado. Al agitar el tamiz las partculas van atravesando, segn su tamao, los orificios del cedazo.

_______________________________________________________________CRISTALIZACIONEs el mtodo no solo de separacin de slidos, sino de purificacin de sustancias; se basa en la diferencia de los puntos de solidificacin de los componentes de la mezcla. El soluble impuro se disuelve en un solvente adecuado hasta saturacin, en cliente; se deja enfriar la solucin lentamente para que se produzca la cristalizacin. Se separa los cristales por filtracin, se lavan con solvente puro y se dejan secar si algunas impurezas cristalizan con la sustancia problema, se recurre a una recristalizacin

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UNIDAD 2

Teora atmica El fsico y qumico britnico John Dalton propuso a principios del siglo XIX los fundamentos de la teora atmica, aportando as las bases para el rpido desarrollo de la qumica moderna. Los siguientes postulados forman parte de la teora atmico molecular:

1. La materia se compone de partculas pequeas, definidas e indestructibles llamadas tomos, que no se pueden dividir por ningn mtodo fsico, ni qumico ordinario.

2. Los tomos de un mismo elemento son todos idnticos y poseen las mismas propiedades.

3. Las molculas se forman mediante la unin de un nmero entero de tomos de un mismo elemento simple, o de la unin de diferentes elementos simples.

4. Las molculas de un elemento o sustancia simple se forman con tomos idnticos del mismo elemento.

5. Cuando un solo tomo constituye la molcula de un elemento o sustancia simple, dicha molcula constituye, a su vez, el tomo de ese propio elemento.

6. Las molculas de las sustancias compuestas estn formadas, al menos, por tomos de dos elementos simples diferentes.

7. La materia ni se crea ni se destruye, sino que se transforma (Ley de la conservacin de la materia)

El primero fue la ley de conservacin de la masa, formulada por Antoine Lavoisier en 1789, que afirma que la masa total en una reaccin qumica permanece constante. Esta ley le sugiri a Dalton la idea de que la materia era indestructible.

El segundo fue la ley de las proporciones definidas. Enunciada por el qumico francs Joseph Louis Proust en 1799, afirma que, en un compuesto, los elementos que lo conforman se combinan en proporciones de masa definidas y caractersticas del compuesto.

Dalton estudi y ampli el trabajo de Proust para desarrollar la ley de las proporciones mltiples: cuando dos elementos se combinan para originar diferentes compuestos, dada una cantidad fija de uno de ellos, las diferentes cantidades del otro se combinan con dicha cantidad fija para dar como producto los compuestos, estn en relacin de nmeros enteros sencillos

______________________________________________________________________TABLA PERIODICA

Clasificacin de los elementos

Antecedentes

El descubrimiento de un gran nmero de elementos y el estudio de sus propiedades puso de manifiesto entre algunos de ellos ciertas semejanzas. Esto indujo a los qumicos a buscar una clasificacin de los elementos no solo con objeto de facilitar su conocimiento y su descripcin, sino, ms importante, para las investigaciones que conducen a nuevos avances en el conocimiento de la materia.

1. Primera tentativa de clasificacin: Tradas de Dbereiner . Entre 1817 y 1829, Johan Wolfgang Dbereiner, profesor de Qumica de la Universidad de Jena, expuso su ley de las tradas,agrupando elementos con propiedades semejantes.

2. Segunda tentativa de clasificacin: Ley de las octavas de Newlands . En 1864, el qumico ingls John Alexander Reina Newlands observ que dispuestos los elementos en orden crecientes a sus pesos atmicos,despus de cada siete elementos, en el octavo se repetan las propiedades del primero y por analoga con la escala musical enunciaba su ley de las octavas.

3. Tercera tentativa de clasificacin: Sistema peridico de Mendelejeff . Fue el qumico ruso Dimitri I. Mendelejeff el que estableci la tabla peridica de los elementos comprendiendo el alcance de la ley peridica.

Tabla Peridica

Los primeros trabajos de Mendelejeff datan de 1860 y sus conclusiones fueron ledas 1869 en la sociedad Qumica Rusa. El mismo resumi su trabajo en los siguientes postulados:

1. Si se ordenan los elementos segn sus pesos atmicos, muestran una evidente periodicidad.

2. Los elementos semejantes en sus propiedades qumicas poseen pesos atmicos semejantes (K, Rb, Cs).

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3. La colocacin de los elementos en orden a sus pesos atmicos corresponde a su valencia.

4. Los elementos ms difundidos en la Naturaleza son los de peso atmico pequeo. Estos elementos poseen propiedades bien definidas. Son elementos tpicos.

5. El valor del peso atmico caracteriza un elemento y permite predecir sus propiedades.

6. Se puede esperar el descubrimiento de elementos an desconocidos.

7. En determinados elementos puede corregirse el peso atmico si se conoce el de los elementos adyacentes.

He aqu una sntesis clara y muy completa no solo de la construccin de la tabla, sino tambin de su importancia qumica.

La tabla peridica moderna consta de siete perodos y ocho grupos.

Perodos: Cada franja horizontal.

Grupo Cada franja vertical.

Familia: Grupo de elementos que tienen propiedades semejantes.

Ventajas del sistema de Mendelejeff

1. Corrigi los pesos atmicos y las valencias de algunos elementos por no tener sitio en su tabla de la forma en que eran considerado hasta entonces.

2. Seal las propiedades de algunos elementos desconocidos, entre ellos, tres a los que llam eka-boro,eka-aluminio, y eka-silicio.

3. En 1894 Sir William Ramsay descubri un gas el que denomin argn. Es monoatmico, no presenta reacciones qumicas y careca de un lugar en la tabla. Inmediatamente supuso que deban existir otros gases de propiedades similares y que todos juntos formaran un grupo. En efecto, poco despus se descubrieron los otros gases nobles y se les asign el grupo cero.

4. Todos los huecos que dej en blanco se fueron llenando al descubrirse los elementos correspondientes. Estos presentaban propiedades similares a las asignadas por Mendelejeff.

______________________________________________________________________Defectos de la tabla de Mendelejeff

1. No tiene un lugar fijo para el hidrgeno.

2. Destaca una sola valencia.

3. El conjunto de elementos con el nombre de tierras raras o escasas (lantnidos) no tiene ubicacin en la tabla o es necesario ponerlos todos juntos en un mismo lugar, como si fueran un solo elemento, lo cual no es cierto.

4. No haba explicacin posible al hecho de que unos perodos contarn de 8 elementos: otros de 18, otros de 32,etc.

5. La distribucin de los elementos no est siempre en orden creciente de sus pesos atmicos.

Tabla peridica moderna

En el presente siglo se descubri que las propiedades de los elementos no son funcin peridica de los pesos atmicos,sino que varan peridicamente con sus nmeros atmicos o carga nuclear. He aqu la verdadera Ley peridica moderna por la cual se rige el nuevo sistema: "Las propiedades de los elementos son funcin peridica de sus nmeros atmicos"

Modernamente,el sistema peridico se representa alargndolo en sentido horizontal lo suficiente para que los perodos de 18 elementos formen una sola serie. Con ello desaparecen las perturbaciones producidas por los grupos secundarios. El sistema peridico largo es el ms aceptado; la clasificacin de Alfred Werner, permite apreciar con ms facilidad la periodicidad de las propiedades de los elementos.

Propiedades peridicas y no peridicas de los elementos qumicos

Son propiedades peridicas de los elementos qumicos las que desprenden de los electrones de cadena de valencia o electrones del piso ms exterior as como la mayor parte de las propiedades fsicas y qumicas.

Radio atmico

Es la distancia de los electrones ms externos al ncleo. Esta distancia se mide en Angstrom (A = 10-8),dentro de un grupo Sistema peridico, a medida que aumenta el nmero atmico de los miembros de una familia aumenta la _______________________________________________________________

densidad, ya que la masa atmica crece mas que el volumen atmico, el color F (gas amarillo verdoso), Cl (gas verde), Br (lquido rojo), I slido (negro prpura), el lumen y el radio atmico, el carcter metlico, el radio inico aunque el radio inico de los elementos metlicos es menor que su radio atmico.

Afinidad electrnica

La electro afinidad, energa desprendida por un ion gaseoso que recibe un electrn y pasa a tomos gaseosos, es igual el valor al potencial de ionizacin y disminuye al aumentar el nmero atmico de los miembros de una familia. La electronegatividad es la tendencia de un tomo a captar electrones. En una familia disminuye con el nmero atmico y en un perodo aumenta con el nmero atmico.

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