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UNIDAD I
Química
La Química es una ciencia que estudia la MATERIA en lo que se refiere a su
naturaleza, composición , su transformación y cambios energéticos asociados a estas .
No puede darse una definición de la materia mediante conceptos corrientes y,
análogamente a las categorías de espacio y tiempo de las que tenemos idea por sus
cualidades, es más sencillo describir la materia por las propiedades que son comunes a
todos los cuerpos materiales.
(Ciencia Es el conjunto de conocimientos ordenado sistemáticamente
acerca del universo obtenidos por la observación y el razonamiento que permiten
la deducción de principios y leyes generales. La ciencia es el conocimiento sobre la
verdadera naturaleza del universo )
La química se divide en cinco grandes ramas:
General
Inorgánica
Orgánica
Analítica
Biológica Método científico
Esquema del método científico
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Que es Materia?:
Todo aquello que ocupa un lugar en el espacio.
Todo lo que es percibido por nuestros sentidos es de origen material. Caracteres
esenciales de la materia son la extensión , la inercia, divisibilidad,
indestructibilidad.
La idea de extensión, natural en los sólidos y líquidos, desaparece, en realidad
se transforma, en los gases y. por ello, es mejor hablar de la inercia, cualidad por la que
los cuerpos materiales ofrecen resistencia a modificar su estado de reposo o de
movimiento.
Del esfuerzo necesario para vencer la inercia adquirimos la idea de masa,
definida por la expresión F = m. a (2º ley de Newton). La cantidad de materia de un
cuerpo viene medida por su masa
Cuerpo: porción limitada de materia
Los cuerpos que nos rodean se encuentran en el campo de atracción de la Tierra
que ejerce sobre ellos una fuerza que es su peso. Puesto que la aceleración de la
gravedad en cualquier punto de la superficie de la Tierra es prácticamente constante,
también lo es el peso de un cuerpo que se expresa por el mismo número que representa
su masa; esto es, a la unidad de masa 1 Kg le corresponde la unidad de peso 1 Kg. Esto
hace que los términos masa y peso se utilicen indistintamente al referirse a un cuerpo
determinado, por lo que, frecuentemente, se confunden.
La distinción entre masa y peso queda aclarada si pensamos que la masa de un
cuerpo cualquiera es invariable lo mismo si la tenemos sobre la Tierra que si la
imaginamos sobre la Luna o en un punto del espacio interestelar, mientras que su peso,
prácticamente el mismo en cualquier sitio de la superficie de la Tierra, sería de una
sexta parte escasamente en la Luna y nulo en el espacio interestelar. No obstante, su
resistencia a cambiar su estado de movimiento sería la misma en cualquier lugar del
espacio. Una persona de masa 73 kg cuyo peso en la Tierra será de 73 Kg, situada en la
Luna, experimentaría la sensación de que pesaba únicamente I2 kg
Estados de Agregación de la Materia Según sus propiedades físicas, la materia puede dividirse en tres formas o estados:
sólido, líquido, y gaseoso. Estas distintas formas están determinadas por el grado de
condensación molecular, de ahí que la temperatura que aumenta la energía cinética de
las moléculas pueda determinar cambios de estados de una misma sustancia; así por
ejemplo, el agua puede encontrarse como hielo, líquido o vapor, conforme a la
temperatura a que se somete. En el estado sólido, los espacios intermoleculares son
menores que en el estado líquido, y en éste, a su vez, menores que en el gaseoso. 1
Características principales de cada estado
Sólidos
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Tienen forma propia y, algunos, regular
• Prácticamente no se comprimen, por lo
cual su volumen es constante
• Su densidad es bastante próxima a la
de los líquidos
• No fluyen
• Adoptan la forma del
recipiente que los contiene.
• Se comprimen con
dificultad, por lo que su
volumen es prácticamente
constante.
• Son más densos que los
gases. Pueden fluir
No tienen forma propia.
• Se comprimen con facilidad
y se expanden llenando el
volumen del recipiente que
los contiene.
• Sus densidades son muy
bajas comparadas con las de
los líquidos y sólidos.
• Pueden fluir.
• Ejercen fuerzas sobre todas
las paredes del recipiente que
los contiene
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¿Que determina que las particular de un compuesto se
encuentren en cualquiera de los estados vistos ?
CAMBIOS DE ESTADO
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Ver explicación en :
http://www.wikisaber.es/Contenidos/LObjects/melt_boiling_point/index.html
Fusión es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor. El proceso inverso
es la solidificación y se produce por el enfriamiento de un líquido. Las temperaturas a
que se funde o solidifica un cuerpo se denominan punto de fusión y punto de
solidificación.
Vaporización es el paso de un líquido al estado gaseoso. Si el cambio de estado se
produce en la superficie del líquido, el fenómeno se denomina evaporación, pero si
participan todas las moléculas de la masa líquida, se denomina ebullición.
Licuefacción es el cambio de estado de gas a líquido y para ello es necesario comprimir
el gas y enfriarlo por debajo de su temperatura crítica( no ocurre en condiciones
normales).
Sublimación es el pasaje directo del estado sólido al estado de vapor. Este cambio se
produce con mayor velocidad aumentando la temperatura y disminuyendo la presión. El
pasaje en sentido opuesto, es decir la solidificación de un vapor se obtiene por
enfriamiento y compresión.
¿Qué condiciones deben presentarse para que un cambio de
estado se produzca y que ocurre en el ?
Propiedades Intensivas y Extensivas
Si las propiedades dependen de la cantidad de muestra investigada se
denominan propiedades extensivas, tal como el peso, el volumen, el tamaño, etc.
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Si las propiedades no dependen de la cantidad de muestra investigada se
denominan propiedades intensivas, tal como el , punto de fusión, punto de ebullición,
densidad etc.
Hay propiedades que pueden cambiar en una misma muestra, tal como la presión, la
temperatura, el estado de reposo o de movimiento, la carga eléctrica, etc., y se
designan como condiciones. La presión y la temperatura son cualidades muy
importantes, pues siempre están adscritas a los cuerpos, determinando las propiedades
de los mismos
Propiedades físicas y químicas.
Las distintas formas de materia se diferencian mediante ciertas cualidades que
afectan directa o indirectamente a nuestros sentidos las cuales se denominan
propiedades físicas y no afectan a la naturaleza intima de la materia. Si estas
propiedades son características de un cuerpo determinado se llaman propiedades
específicas tal como el color, olor, sabor, solubilidad, densidad, conductividad del
calor y de la electricidad, brillo, transparencia, dureza, maleabilidad, ductilidad,
estructura cristalina, punto de fusión, punto de ebullición, etc. Así, por ejemplo, el
cobre, el oro y la plata se distinguen por su color; el agua, el alcohol y la gasolina por su
olor; la sal y el azúcar, por su sabor; los carbonatos de sodio y de calcio, por su
solubilidad; el plomo y el aluminio, por su densidad; el vidrio y el diamante, por su
dureza, etc.
Las propiedades químicas de los cuerpos se ponen de manifiesto cuando se
transforman en otros distintos. La acción de los ácidos sobre la mayoría de los
metales corresponde a una propiedad general de los ácidos. La combustión del carbón y
la oxidación del hierro expresan una propiedad química de estos cuerpos al
transformarse en otros distintos, Los métodos de determinación de las propiedades
químicas de los cuerpos constituyen la base del análisis químico.
Transformaciones físicas y químicas.
Los cambios que experimentan las substancias son de dos clases, físicos y
químicos. Un Cambio físico modifica algunas propiedades de la substancia pero no,
hay motivos para suponer que se ha formado una nueva. Por el contrario, en los
Cambios químicos, conocidos como reacciones, tiene lugar una modificación
profunda de todas las propiedades del cuerpo, lo que obliga a suponer que se ha
formado una nueva substancia. No existe una delimitación absoluta entre estas dos
clases de transformaciones, pues hay diversos procesos que adquieren una significación
intermedia. Si se electriza un pedazo de cobre, se imanta un trozo de hierro, se calienta
una cierta masa de azufre o se comprime un volumen determinado de cloro, las
propiedades físicas de estas substancias varían tan sólo en lo que respecta a la
modificación producida y en una extensión que depende de ella, pero las propiedades
físicas de estas substancias permanecen inalteradas; ha tenido lugar en cada caso un
fenómeno físico.
Si se llega a fundir el pedazo de azufre o si el cloro se licua, las propiedades
físicas cambian totalmente pero el comportamiento químico del azufre fundido o el del
cloro líquido es el mismo que el del azufre sólido o el del cloro gaseoso, por lo que el
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proceso de fusión o el de licuación es también un cambio físico que afecta únicamente
al estado de agregación de la substancia correspondiente.
Cl2 (g)→Cl2(l)
En cambio, si se calienta óxido mercúrico, polvo rojo, en un tubo de ensayo, se
desprende oxígeno y en la parte superior del tubo se condensa mercurio en forma de
minúsculas gotas; ha tenido lugar un cambio químico.
2HgO(s)→O2(g) +2Hg(l) Los procesos físicos y químicos se diferencian fundamentalmente en los
siguientes aspectos:
1) Los cambios químicos van acompañados por una modificación profunda
de las propiedades del cuerpo o cuerpos reaccionantes; los cambios físicos dan lugar a
una alteración muy pequeña y muchas veces parcial de las propiedades del cuerpo.2)
Los cambios químicos tienen casi siempre carácter permanente mientras que, en
general, los cambios físicos persisten únicamente mientras actúa la causa que los
origina.
3) Los cambios químicos van acompañados por una variación importante de
energía mientras que los cambios físicos van unidos a una variación de energía
relativamente pequeña y como consecuencia se puede decir que un cambio físico es un
proceso reversible y un cambio químico es irreversible.
Así, por ejemplo, la formación de 1 g de agua a temperatura ambiente, a partir
de hidrógeno y oxígeno, desprende cerca de 3800 calorías,
H2 (g)+1/2 O2(g) → H2O(g)
Mientras que la solidificación a hielo de 1 g de agua o la condensación a agua
líquida a 100 ºC de 1 g de vapor de agua desprende tan sólo, respectivamente, cerca de
80 ó de 540 calorias.H2O(g)→ H2O(l)
Mezclas, disoluciones y substancias puras
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La materia puede presentarse en dos formas distintas: mezcla o sustancias puras:
Mezclas
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Mezclas Homogénea, si es completamente uniforme, esto es, que sus
propiedades físicas y composición sean las mismas en cualquier punto de la misma.
Heterogénea, si está formada por dos o más porciones diferentes, separadas por
superficies definidas a través de las cuales las propiedades
cambian bruscamente.
Un material heterogéneo es una mezcla y cada
porción homogénea de la misma constituye, desde el punto de
vista químico, una fase. Así, por ejemplo, un trozo de granito
aparece moteado e incluso a simple vista pueden observarse
en él tres clases distintas de cuerpos; unas partículas
minúsculas, obscuras y brillantes que son de mica, unos
fragmentos pequeños, duros y transparentes que son de
cuarzo y unos cristales oblongos, translúcidos y grisáceos que son de feldespato .Cada
fase de una mezcla presenta sus propiedades características y, en general, pueden
separarse unas de otras por medios mecánicos. Una mezcla de azufre y hierro de color
negruzco amarillento puede diferenciarse a simple vista o mediante la lupa o el
microscopio, observándose las partículas amarillas de azufre y las grises obscuras de
hierro.
Las sustancias puras
Las sustancias puras o cuerpos puros son aquellos que
presentan composición y propiedades constantes en cualquier parte de
una muestra determinada. Pueden encontrarse como : Sustancia pura
Elemental o Elementos o Sustancia pura compuesta o Compuesto.
Sustancia Elemental :Elemento Quimico
El oxígeno, el hidrógeno, el cloro, el sodio y el carbono, no pueden descomponerse
en otros cuerpos más sencillos y se denominan substancias elementales o
elementos, lo que significa que son constituyentes elementales de toda la materia En la radioactividad natural, algunos elementos se descomponen en otros distintos. En
estos casos se consideran dichos elementos como tales y se habla de desintegración de
los elementos radioactivos más que de descomposición ya que los procesos que tienen
lugar son de grado muy superior al de las transformaciones químicas corrientes.
Actualmente ha podido controlarse la transmutación de unos elementos en otros, pero
utilizando métodos físicos especiales.
Las substancias elementales o elementos son aquellas substancias
que no pueden descomponerse en otras más sencillas por los medios
químicos habituales.
De los 109 elementos actualmente conocidos, 21 han sido producidos
artificialmente en estos últimos años y no se han encontrado en la naturaleza. De los 88
elementos naturales restantes, muchos se hallan en proporción tan pequeña que parece
existen tan sólo por excepción. Unos pocos elementos, como el oxígeno, el nitrógeno, el
carbono, el oro, la plata y el platino, entre pocos más, se encuentran en estado libre o sin
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combinar; los otros existen combinados. Muchos de los elementos como el hierro, oro,
cobre, plata, mercurio, plomo, aluminio, níquel, estaño, azufre, oxígeno, nitrógeno,
hidrógeno, carbono, cinc, helio, radio y uranio nos son familiares, pero esta familiaridad
no quiere decir que sean los más abundantes. El elemento que por su abundancia en la
corteza terrestre ocupa el segundo lugar, después del oxígeno, continuamente estamos
en contacto con muchos de sus compuestos. Este elemento es el silicio, básico en la
industria electrónica, el cual forma parte de la arena, vidrio, cemento, arcilla,
carborundo, asbesto, mica y demás silicatos. Un 47 % aproximadamente de la arena del
desierto está constituida por silicio.
Sustancias Compuestas :Compuesto quimico
Cuando los elementos se combinan se forman los compuestos :por ejemplo
H2O, CO2 , NH3 etc.
Las substancias que pueden descomponerse por medios
químicos apropiados en dos o más sustancias elementales se
denominan compuestos.
Los compuestos, análogamente a las mezclas, están constituidos por dos o más
cuerpos diferentes, pero se diferencian esencialmente de éstas en los siguientes
extremos:
a) Los componentes de las mezclas pueden separarse por medios físicos,
pero los constituyentes de los compuestos, no.
b) Las mezclas tienen las propiedades de sus componentes, pero los
compuestos poseen sus propiedades específicas correspondientes.
c) Las mezclas pueden existir en cualquier proporción mientras que los
compuestos se forman a partir de los elementos en proporción invariable.
d) La formación o descomposición de un compuesto va siempre unida a un
desprendimiento o absorción de calor, mientras que para una mezcla el efecto calorífico
es nulo o en todo caso, muy pequeño comparado con el del compuesto.
A menudo los Sustancias elementales se suelen presentar en la naturaleza como
agrupaciones distintas del mismo átomo, se habla de formas alotrópicas o
comúnmente conocidos como sustancias simples :
(a) O2 , O3, (oxigeno, ozono )
(b) Anillos y cadenas (S8, Sn)
(c) Cadenas y láminas (fósforo rojo y negro, aparte del denominado blanco P4)
(d) Diamante, grafito, carbón y fullereno (figura)
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Grafito Diamante Fullereno C60
Láminas de átomos de C Tetraedros de átomos de C
Los coloides.
Un coloide es la suspensión de partículas pequeñas en un medio. Estas partículas
pueden ser sólidas, liquidas o gaseosas. El medio donde están suspendidas también
puede estar en cualquiera de las tres fases.Todos estamos en contacto con coloides a
diario, sin saberlo.Por ejemplo: Si las partículas son sólidas y el medio gaseoso, estamos
en presencia de humo, como el de los cigarrillos. Si son liquidas en gas, es niebla o un
spray. Una emulsión es un coloide liquido-liquido, como la mayonesa.
¿Pero que diferencia hay con una solución? Una solución es una suspensión de
partículas en un medio. Parece la misma definición que la de un coloide, pero no lo es:
la diferencia es el tamaño de las partículas suspendidas: en un caso (la solución) son
moléculas, del orden de tamaño de diezmillonésimas de milímetro. En el otro, las
partículas son cientos o miles de veces mayores
Esta pequeña diferencia produce efectos observables. Por ejemplo si coloco en un vaso
con agua un poco de sal (solución), y en otro agua con unas gotas de leche (coloide) e
ilumino ambos vasos con un láser, la solución común no mostrará el haz de luz
atravesándola (la sal), en cambio la leche si. Este fenómeno se llama efecto Tyndall, y
es la dispersión de la luz al atravesar de un coloide. Se puede utilizar justamente para
distinguir coloides de soluciones.
El efecto Tyndall.
¿Alguna vez has visto la luz del Sol pasando entre nubes
gruesas, haciendo hermosos haces hacia abajo?
O cuando te despiertas a la mañana ¿No has visto pasar
los haces de luz a través de la persiana, que se ven
rectilíneos hasta que iluminan la pared?
Al principio no parece nada extraño, salvo un detalle: un haz de luz no debería ser
visible. Solo se ve cuando pega contra un objeto fisico. Para probarlo, si tenes un láser,
apaga la luz e ilumina la pared: el láser no se ve hasta que choca contra la pared o algún
objeto físico.
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Puede verse claramente el efecto
Tyndall. El vaso de la derecha tiene una solución,Mientras que el de la izquierda
contiene un coloide.El haz de laser solo se ve en el segundo.
Como funciona? El coloide tiene partículas de un tamaño mucho mayor que las de una solución -que de
tamaño molecular-, por lo que la luz ilumina las pequeñas partículas, haciéndolas
visibles. Esto lo hace mas aun cuando las partículas son del orden de tamaño de
la longitud de onda de la luz, cuando mas que reflejar, dispersan la luz incidente.
En el diagrama abajo a la derecha, dos haces de luz celestes entran desde la
izquierda. El primero, sigue de largo a traves de la solución. El segundo choca y es
dispersado por una partícula coloidal. el fondo moteado representa a las moleculas.
Ahora podemos responder porque se ve
la luz entre las nubes: están iluminando
la niebla suspendida. En el caso de la luz
entrando por las persianas, están
iluminando las partículas sólidas
suspendidas en el aire.
Las partículas de un coloide son tan
pequeñas que el choque continuo con las
moléculas del medio es suficiente para mantener las partículas en suspensión. El
movimiento al azar de las partículas bajo la influencia de este bombardeo molecular se
llama movimiento browniano.
Se ve el efecto Tyndall en otros fenómenos meteorológicos o astronómicos? Si. En
varios.
El color del cielo.
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Tyndall estaba interesado
fundamentalmente en este fenómeno.
La dispersión de la luz es mayor
cuando la longitud de onda de la luz es
similar al tamaño de las partículas
suspendidas. Para la atmósfera, esta
máxima dispersión está en el color azul,
y por eso vemos el cielo de ese color.
Cuando el Sol está cerca del horizonte,
la luz azul ya ha sido dispersada, y lo
único que nos llega es el rojo. Por eso
los atardeceres y amaneceres son de
color rojizo.
El azul del cielo. el observador 1, tiene el Sol muy alto sobre el horizonte, y la
dispersión de la luz azul es muy grande, y ve el cielo de ese color. Para el observador 2
en cambio, la luz ya ha sido dispersada, llegandole solamente el color rojo.
