Conceptos clave para el estudio de la qumica

Captulo 1

Captulo 1 : Conceptos clave para el estudio de la qumica

1.1 Algunas definiciones fundamentales1.2 Artes qumicas y los orgenes de la qumica moderna1.3 El enfoque cientfico: Desarrollo de un modelo1.4 Solucin de problemas de qumica1.5 Mediciones en el estudio cientfico1.6 Incertidumbre en las mediciones: Cifras significativas

Definiciones

Materia Son las cosas del universo: libros, planetas, rboles cualquier cosa que tenga masa y volumen.

Composicin Es el tipo y la cantidad de las sustancias ms simples que constituyen una muestra.

Propiedades Son las caractersticas que cada sustancia tiene y que le dan su identidad nica.

Propiedades fsicas Son lasque la materia muestra por smisma, sin cambiar ointeractuar con otra sustancia(color, punto de fusin, puntode ebullicin, densidad, etc.).

Propiedades qumicas Sonlas que muestra una sustanciaa medida que que cambia ointeracta con otra(s)sustancia(s) (inflamabilidad,corrosividad, etc.).

Los estados fsicos de la materia

Slido Lquido Gas

Definiciones

Energa La habilidad para realizar trabajo

Energa Potencial Es la energa de un objeto como resultado de su posicin.

Energa Cintica Es la energa de un objeto debida a su movimiento.

La energa potencial se convierte en energa cinticaE

n

e

r

g

a

p

o

t

e

n

c

i

a

l

E

n

e

r

g

a

p

o

t

e

n

c

i

a

l

Menos estable

Menos estableEl cambio de energa potencial es igual a la energa cintica

El cambio de energa potencial es igual a la energa cintica

Ms estableA. Sistema gravitacional. La Ep adquirida al

levantar una pesa se convierte en Ec al caer la pesa

B. Sistema de dos esferas unidas por un resorte. La Epadquirida cuando se estira el resorte se convierte en Ecde las esferas en movimiento al liberar el resorte.

Ms estable

Estirado

Relajado

E

n

e

r

g

a

p

o

t

e

n

c

i

a

l

E

n

e

r

g

a

p

o

t

e

n

c

i

a

l

Menos estableEl cambio de energa potencial es igual a la energa cintica

C. Sistema de partculas con cargas opuestas. La Epadquirida cuando las cargas se encuentran separadas se convierte en Ec al unirse por la fuerza de atraccin.

Ms estable

Menos estableEl cambio de energa potencial es igual a la energa cinticaMs estable

gases de escape

D. Sistema de combustible y gases de escape. Un combustible tiene mayor Ep qumica que los gases residuales. Al quemarse el combustible, parte de su Epse convierte en Ec del automvil en movimiento.

Artes qumicas y los orgenes de la qumica moderna

La alquimia.

La teora del flogisto.

El fiasco del flogisto y el impacto de Lavoisier

Al inicio se determina el volumen total del aire

Se calienta el mercurio lquido

Horno

Agua

La cal de mercurio se acumula durante el calentamiento

Cuatro quintos del volumen original de aire se conservan al final

Experimento de Lavoisier para probar su propuesta de que en la combustin se requiere de un componente del aire.

El mtodo cientfico: Desarrollo de un modelo

Observaciones: Fenmenos naturales y eventos medidos;aquellos universalmente consistentes puedenser establecidos como una ley natural.

Hiptesis: Propuesta tentativa que explica las observaciones.

Experimento: Procedimiento para probar la hiptesis; mide una variable a la vez.

Modelo (Teora): Conjunto de postulados que explicanlos datos obtenidos en experimentosacumulados; predice fenmenosrelacionados.

Experimentos posteriores: Prueba las predicciones basadas en el modelo.

la hiptesis debe revisarse si los resultados experimentales no la apoyan

El modelo debe modificarse si las predicciones no lo confirman

Factores de conversin (Factor unitario)

Son proporciones usadas para expresar cantidades medidasen unidades diferentes.

1 L = 1000 mL

Cuntos mL son 1.630 L?

1L1000 mL1.630 L x = 1630 mL

1L1000 mL

1.630 L x = 0.001630 L2

mL

1L1000 mLFactor de conversin:

Error!

La velocidad del sonido en el aire es alrededor de 343.0 m/s. Cul es la velocidad en millas por hora?

1 mi = 1609 m 1 min = 60 s 1 hour = 60 min

343.0 ms x1 mi

1609 m60 s

1 minx

60 min1 hour

x = 767.4 mihour

Unidades bsicas SI

Cantidad fsica (dimensin) Nombre de la unidad Abreviatura

Masa kilogramo kg

Longitud metro m

Tiempo segundo s

Temperatura kelvin K

Corriente elctrica amper A

Cantidad de sustancia mol mol

Prefijos decimales comunes usados con las unidades SI.

Prefijo Prefijo Nmero Palabra NotacinSmbolo Exponencial

giga G 1 000 000 000 billn 109mega M 1 000 000 milln 106kilo k 1 000 mil 103hecto h 100 cien 102deca da 10 diez 101----- --- 1 uno 100deci d 0.1 dcimo 10-1centi c 0.01 centsimo 10-2mili m 0.001 milsimo 10-3micro 0.000001 millonsimos 10-6nano n 0.000000001 billonsimos 10-9

Longitud 1 milla = 1.61 km1 yarda = 0.9144 m1 pie (ft) = 0.3048 m1 pulgada = 2.54 cm

Volumen 1 pie cbico = 0.0283 m31 galn = 3.785 dm3

Masa 1 libra (lb) = 0.4536 kg1 libra (lb) = 453.6 g

Equivalencias comunes entre el Sistema Ingls y el SI

Cantidad Equivalente ingls a SI

Definiciones - Masa y peso

Masa Es la cantidad de materia que contiene un objeto.

kilogramo - ( kg ) Unidad bsica de masa en el SI, es un cilindro de platino-iridio resguardado en Pars como un estndar.

Peso Depende de la masa de un objeto y de la fuerza del campo gravitacional que lo atrae.

Densidad =

mV=d

masavolumen

Densidad

Densidades de algunas sustancias comunes

Sustancia Estado fsico Densidad (g/cm3)

Hidrgeno gas 0.000089Oxgeno gas 0.0014Agua lquido 1.0Sal de mesa slido 2.16Aluminio slido 2.70Plomo slido 11.3

Ejemplo

El litio (Li) es un slido suave y gris que tiene la menor densidad delos metales. Si un pequeo bloque de litio pesa 1.49 x 103 mg y suslados miden 20.9 mm por 11.1 mm por 11.9 mm, cul es la densidaddel litio en g/ cm3 ?

masa (g) de Li = 1.49 x 103 mg x = 1.49 g

longitud (cm) de un lado = 20.9 mm x = 2.09 cm

Similarmente, los otros lados miden 1.11 cm y 1.19 cm

volumen (cm3) = 2.09 cm x 1.11 cm x 1.19 cm = 2.76 cm3

densidad del Li = = 0.540 g/cm3

1 g

103 mg

2.76 cm31.49 g

10 mmcm

Temperaturas de congelamiento y ebullicin del agua

Punto de ebullicindel agua

Punto de congelamientodel agua

100GradosCelsius

100GradosKelvin

180GradosFahrenheit

Escalas de temperatura e interconversiones

Kelvin ( K ) - La escala absoluta de temperatura comienza en el cero absoluto y slo tiene valores positivos.

Celsius ( oC ) La escala de temperatura usada en las ciencias, formalmente llamada centgrada, es la escala ms comnmente usada en el mundo, el agua se congela a 0oC, y hierve a 100oC.

Fahrenheit ( oF ) La escala usada comnmente en Estados Unidos para los reportes del clima; el agua se congela a 32oF, y hierve a 212oF.

T (K) = T (oC) + 273.15 T (oC) = T (K) - 273.15 T (

oF) = 9/5 T (oC) + 32T (oC) = [ T (oF) - 32 ] 5/9

1.8

Scientific NotationThe number of atoms in 12.0 g of carbon:

602,200,000,000,000,000,000,000

6.022 x 1023

The mass of a single carbon atom in grams:

0.0000000000000000000000199

1.99 x 10-23

N x 10nN is a number between 1 and 10

n is a positive or negative integer

Scientific Notation

1.8

568.762

n > 0568.762 = 5.68762 x 102

move decimal left0.00000772

n < 00.00000772 = 7.72 x 10-6

move decimal right

Addition or Subtraction1. Write each quantity with

the same exponent n2. Combine N1 and N23. The exponent, n, remains

the same

4.31 x 104 + 3.9 x 103 =4.31 x 104 + 0.39 x 104 =

4.70 x 104

Scientific Notation

1.8

Multiplication1. Multiply N1 and N22. Add exponents n1 and n2

(4.0 x 10-5) x (7.0 x 103) =(4.0 x 7.0) x (10-5+3) =

28 x 10-2 =2.8 x 10-1

Division1. Divide N1 and N22. Subtract exponents n1 and n2

8.5 x 104 5.0 x 109 =(8.5 5.0) x 104-9 =

1.7 x 10-5

El nmero de cifras significativas en una medida depende del instrumento de medicin

Reglas para determinar cules dgitos son significativos

Todos los dgitos son significativos, excepto los ceros que se usan slo para posicionar el punto decimal.

1. Asegrese de que la cantidad medida tenga un punto decimal.

2. Inicie a la izquierda del nmero y siga a la derecha hasta encontrar el primer dgitoque no sea cero.

3. A partir inclusive de ese dgito, todos los dgitos a la derecha son significativos.

Los ceros que terminan un nmero y estn antes o despus del puntodecimal son significativos; por tanto 1.030 mL tiene cuatro cifrassignificativas y 5300. L tiene tambin cuatro cifras significativas.

Nmeros como 5300 L debera asumirse que tienen slo dos cifrassignificativas. Un punto decimal terminal es a menudo utilizado paraclarificar la situacin, pero la notacin cientfica es la mejor!

Cifras significativas

Para nmeros que no tienen punto decimal, los ceros ubicadosdespus del ltimo dgito distinto de cero pueden ser o no cifrassignificativas. As, 400 puede tener una cs (el dgito 4), dos (40) otres cs (400). No es posible saber cul es la cantidad correcta si nose tiene ms informacin. Sin embargo, utilizando la notacincientfica se evita esta ambigedad. En este caso particular, puedeexpresarse el nmero 400 como 4. x 102 para una cs, 4.0 x 102para dos cs o, 4.00 x 102 para tres cs.

Ejemplos de determinacin del nmero de cifras significativas

Nmero Cifras sig.0.0050 L dos18.00 g cuatro0.00012 kg dos83.000 L cinco0.006002 g cuatro5.0000 m3 cinco23,001.00 lbs siete0.000108 g tres

Sample Problem 1.7 Determining the Number of Significant Figures

PROBLEM: For each of the following quantities determine the number of significant figures (sf) in each quantity. For (d) to (f) express each in exponential notation first.

PLAN: Determine the number of sf by counting digits and paying attention to the placement of zeros.

SOLUTION:

(b) 0.1044 g(a) 0.0030 L (c) 53.069 mL(e) 57,600. s(d) 0.00004715 m (f) 0.0000007160 cm3

(b) 0.1044 g(a) 0.0030 L (c) 53.069 mL(e) 57,600. s(d) 0.00004715 m (f) 0.0000007160 cm3

2sf 4sf 5sf

(d) 4.715x10-5 m 4sf (e) 5.7600x104 s 5sf (f) 7.160x10-7 cm3 4sf

Reglas para cifras significativas en operaciones aritmticas

1. Para multiplicacin y divisin. El resultado contiene el mismo nmero de cifras significativas que haya en la medida que tenga menos cifras significativas.

9.2 cm x 6.8 cm x 0.3744 cm = 23.4225 cm3 = 23. cm3

2. Para adicin y sustraccin. El resultado tiene el mismo nmero de decimales que la medicin con el menor nmero de decimales.

Ejemplo sumando dos volmenes:83.5 mL + 23.28 mL = 106.78 mL = 106.8 mLEjemplo sustrayendo dos volmenes:865.9 mL - 2.8121393 mL = 863.0878607 ml = 863.1 mL

Reglas para redondear nmeros:

1. Si el dgito eliminado es mayor que 5, el nmero que leprecede sube uno: 5.379 se redondea a 5.38 si quierenconservarse tres cifras significativas y a 5.4 si se requieren slodos.

2. Si el dgito que se elimina es menor que 5, el nmero que leprecede queda sin cambio: 0.2413 se redondea a 0.241 si serequieren tres cifras y a 0.24 si se requieren dos.

3. Si el dgito eliminado es 5, el nmero precedente sube 1 si esimpar y permanece sin cambio si es par: 17.75 se redondea a17.8, pero 17.65 se redondea a 17.6.

Si el 5 es seguido nicamente de ceros, se sigue la regla 3; siel 5 no est seguido de ceros, se sigue la regla 1: 17.6500 seredondea a 17.6, pero 17.6513 se redondea a 17.7

4. Asegrese de conservar una o dos cifras significativasadicionales a lo largo de un clculo que requiera varios pasos yredondelas nicamennte en el resultado final. (En losproblemas de aplicacin y ejemplos de este libro redondeamosen los pasos intermedios del clculo para mostrar el nmerocorrecto de cifras significativas.)

Caso especial del 5

nmeros sin incerteza1000 mg = 1 g

60 min = 1 hr

Estos tienen tantas cs como lo requiera el clculo.

Cifras significativas y calculadoras electrnicas

Cifras significativas y la eleccin del instrumento de medicin

Nmeros exactos

Sample Problem 1.8 Significant Figures and Rounding

PROBLEM: Perform the following calculations and round the answer to the correct number of significant figures.

PLAN: In (a) we subtract before we divide; for (b) we are using an exact number.

SOLUTION:

7.085 cm

16.3521 cm2 - 1.448 cm2(a)11.55 cm3

4.80x104 mg(b)

1 g1000 mg

7.085 cm

16.3521 cm2 - 1.448 cm2(a)=

7.085 cm

14.904 cm2= 2.104 cm2

11.55 cm3

4.80x104 mg(b)

1 g1000 mg

=

48.0 g

11.55 cm3= 4.16 g/ cm3

Errores de precisin y exactitud en mediciones cientficas

Precisin Se refiere a la reproducibilidad o cun cerca estn unas de otras lasmediciones de una serie.

Exactitud Se refiere a qu tan prxima est la medida del valor real.

Error Sistemtico Produce valores que son o bien todos mayores o todos menores que el valorreal.

Error Aleatorio En ausencia de error sistemtico, produce algunos valores mayores y menores que el valor real.

precisa y exacta

precisa pero no exacta

La precisin y la exactitud en la calibracin de laboratorio

Mediciones

Mediciones

M

a

s

a

d

e

l

a

g

u

a

(

g

)

M

a

s

a

d

e

l

a

g

u

a

(

g

)

Error sistemtico

Error aleatorio

continuacin

Mediciones

Mediciones

M

a

s

a

d

e

l

a

g

u

a

(

g

)

M

a

s

a

d

e

l

a

g

u

a

(

g

)

Accuracy how close a measurement is to the true valuePrecision how close a set of measurements are to each other

accurate&

precise

precisebut

not accurate

not accurate&

not precise

1.8

Exactitud how close a measurement is to the true valuePrecisin how close a set of measurements are to each other

exactoy

preciso

precisopero

no exacto

no exactoy

no preciso

1.8