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UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 1
1
Universidad de ConcepciónFacultad de Ciencias Químicas
Química General para Ingeniería
Unidad 1
Tema: Herramientas de la química
UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 1
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Unidad 1: HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DE LA QUIMICA • Algunas definiciones fundamentales
• El método científico
• Mediciones en el estudio científico
• Incertidumbre en las mediciones y cifras signi- ficativas
UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 1
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Algunas definiciones fundamentales
• Materia: cualquier cosa que tenga masa y volumen (todo lo que está en el universo)
La materia se presenta en tres formas físicas llamadas estados de la materia:
gaslíquidosólido
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partículas muy separadas, desordenadas Gas en movimiento caótico llenan todo el espacio (sin forma propia)
partículas juntas, con algún ordenLíquido se mueven poco
se adapta al recipiente pero forma superficie
partículas muy juntas, orden perfectoSólido no se mueven
tienen forma propia.
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• La materia tiene propiedades. • Propiedades: son las características que dan
a cada sustancia su identidad única.
• Se distinguen dos tipos de propiedades:–físicas–químicas
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• Propiedades físicas: son las que la sustan- cia tiene por sí misma.– Ej: densidad, color, volumen,
conductividad térmica,
punto de fusión, …
• Propiedades químicas: son las que presen- ta una sustancia a medida que cambia o que interactúa con otra sustancia.– Ej: corrosividad, inflamabilidad,
reactividad frente a ácido, …
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Las propiedades pueden ser:
• Extensivas: dependen de la cantidad de
materia.
Ej: masa, volumen, energía
• Intensivas: no dependen de la cantidad de materia.
Ej: densidad, temperatura
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La materia experimenta cambios de estado.
Los cambios de estado pueden ser:
- cambios físicos
- cambios químicos
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• Cambio físico: alteración de la forma física de una sustancia, (no cambia su composi- ción, conserva su identidad)
• Cambio químico: ocurre cuando una o más sustancias se convierten en otra u otras sustancias, hay cambio de identidad.
El cambio químico se denomina reacción química.
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Determine si el cambio de estado que se describe corresponde a cambio físico o a cambio químico:
En una noche húmeda de invierno se forma escarcha a medida que la temperatura baja.
Físico
Crece una planta una siembra que se riega y fertiliza.Químico
Un artesano talla una silla a partir de un madero.Físico
Se prepara un huevo duroQuímico
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¿Y éstos?
• Un tenedor se deslustra (empaña) en el aire.
• Cuando se calienta yodo sólido se desprenden vapores de yodo de color púrpura.
• Una chispa enciende vapores de gasolina en un cilindro de un automóvil.
• Se forma una costra en una herida.
• Se come una manzana.
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Clasificación de la materia:
Sustancias Puras Mezclas
Materia
Elementos Compuestos HeterogéneasHomogéneas
HidrógenoOxígenoSodioCobreKriptón
AguaCloruro de plataÓxido de hierroetanol
Sal en aguaAireAcero
ArenaSal y azúcar
se llaman
SOLUCIONES
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Sustancia pura: materia cuya composición
es fija (única).
Puede ser un elemento.
Puede ser un compuesto.
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Elemento: Es el tipo de materia más simple con
propiedades físicas y químicas únicas.
Existen: 89 elementos naturales
20 elementos sintéticos
Se clasifican en :
Metales (78 %) No metales (10 %)
Semimetales (7 %) Gases nobles (5 %)
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Compuesto:
Materia constituida por dos o más elementos (diferentes) unidos químicamente en proporciones fijas de masa.
para amoníaco:
para dióxido de carbono:
632,4hidrógeno masa
nitrógeno masa
664,2carbono masa
oxígeno masa
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Mezcla: dos o más sustancias (elementos y/o
compuestos) que están físicamente
mezclados. Los componentes de una
mezcla pueden variar su proporción
en masa, esto es, la composición de
una mezcla es variable.
Los componentes de una mezcla pueden ser separados por métodos químicos o por métodos físicos.
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• Mezcla homogénea: composición idéntica en cualquier punto de ella. No es posible distinguir los componentes entre sí. Se denomina solución.
• Mezcla heterogénea: composición puede variar de un punto a otro de la mezcla. Es posible distinguir los componentes.
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Las partículas más pequeñas que forman la materia, para efectos del estudio de la QUÍMICA son:
Átomo
Molécula
Ion
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Los átomos son neutros. Hay tantas clases de átomos como número de elementos existen (109).
Las moléculas son agrupaciones de átomos iguales o diferentes. Las moléculas son neutras.
Los iones son átomos o agrupaciones de átomos que han adquirido carga eléctrica.
Los elementos están formados por una sola clase de átomos, pero éstos en algunos casos están agrupados formando moléculas.
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Unidad 1: HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DE LA QUIMICA • Algunas definiciones fundamentales
• El método científico
• Mediciones en el estudio científico
• Incertidumbre en las mediciones y cifras signi- ficativas
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El método científico
Proceso flexibe de pensamiento y pruebas creativas orientadas a descubrimientos objetivos y verificables de cómo funciona la naturaleza.Conduce a la formulación de un MODELO (TEORIA)
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Observaciones
Hipótesis
Experimentación
Modelo (Teoría)
Experim. posteriores
El enfoque científico para comprender la naturaleza consta de las siguientes etapas:
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• Observaciones: sobre hechos que se desean explicar, cuali y cuantitativas => datos.
• Hipótesis: es una propuesta tentativa que se hace para explicar las observaciones. Debe ser comprobable => obliga a hacer experimentos.
• Experimentación: relaciona las ideas con la hipótesis y la naturaleza. Los resultados experimentales ponen a prueba la hipótesis => mantenerla, modificarla, rechazarla.
• Modelo (o Teoría): conjunto de suposiciones concep- tuales que explican los datos experimentales acumu-lados. Permite predecir fenómenos relacionados.
• Experimentos posteriores: prueban predicciones basadas en el modelo.
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• Un modelo no es una representación exacta de la naturaleza; es una versión simplificada.
• Las investigaciones posteriores permiten mejorar el modelo o alterarlo para explicar nuevos hechos.
• Un modelo es válido hasta que experimentos demuestren inconsistencias.
Como resultado de las OBSERVACIONES, los fenómenos naturales, medidos y que son universal- mente consistentes pueden ser propuestos como LEYLEY..
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Mediciones en el estudio científico
• En el estudio experimental de un sistema es necesario realizar mediciones cuantitativas.
• Las mediciones corresponden a propiedades físicas del sistema.
• Un comité internacional se encargó de establecer un sistema métrico revisado y aceptado por los científicos a nivel mundial:
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
SI
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Características generales de la unidades SI
• Consta de 7 unidades básicas, c/u corresponde a una cantidad física.
• Todas las restantes unidades son derivadas, corresponden a combinaciones de las básicas.
• Las unidades básicas del sistema SI son: masa, longitud, tiempo, temperatura,
corriente eléctrica, cantidad de sustancia, intensidad luminosa
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Unidades básicas SICantidad física
(dimensión)
Nombre de la unidad
Símbolo de la unidad
Masa kilógramo kg
Longitud metro m
Tiempo segundo s
Temperatura kelvin K
Corriente eléctrica amper A
Cantidad de sustancia
mol
mol
Intensidad luminosa candela cd
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Ejemplos de unidades derivadas SI:
• Para DENSIDAD:
• La unidad SI para ENERGIA es:
• Para PRESION:
33 m
kg
(longitud)
masa
volumen
masadensidad
J2s
2mkg
2
tiempo
longitudmasalongitud
2(tiempo)
longitudmasa
alturanaceleraciómasaEnergía
(pascal) Pasm
kg
sm
mmkggρPresión
223
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En ciertas ocasiones es necesario manejar equivalencias comunes entre SI y otros sistemas de unidades.
Ejemplos:
Longitud: pulgada (in), pie (ft), yarda (yd), milla (mi)
Volumen: litro (L), galón (gal)
Masa: libra (lb)
Temperatura: grado Celcius (°C), grado Fahrenheit (°F)
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ProblemaLa fibra óptica que se utiliza en comunicaciones de redes computacionales tiene masa 1,19 ×10-3 lb/m. Con un cable de esta fibra óptica que consta de 6 hebras, se desea conectar dos puntos que distan 8,85×103 km entre sí, (distancia aproximada entre Nueva York y París).
¿Cuál es la masa de cable que se necesita?
Exprésela en kg.
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Solución:
m en cable longitudhebrasnhebram
masacable masa
km 1
m10km108,85hebras 6
hebra m
lb101,19 cable masa
33
-3
kg102,866lb 1
kg 0,4536lb106,3189 cable masa 44
lb106,3189lb1063,189cable masa 43
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Relación entre escalas de TEMPERATURA:
KK °C °F°C °F
0 -273,15 ? tarea
273,15 0
373,15 100
32
212100 K 180°F100 °C
Tamaño grado K = tamaño grado °C > tamaño de grado °F
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Conversión entre K, °C y °F:
T(K) = T(°C) + 273,15
T(K) = ? T(°F) Tarea
32 C)T( 5
9 )F(T
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Problema
La temperatura corporal de un niño, medida con un
termómetro en escala Farenheit, es T = 101,7 °F.
a) ¿Tiene fiebre el niño?
b) Si se hubiese utilizado un termómetro en escala Kelvin, ¿qué valor de temperatura se hubiese leído?
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Equivalencias entre algunas unidades comunes:
1 Angstrom = 10-10 m = 0,1 nm
1 pulgada = 2,54 cm
1 L = 10-3m3 = 1dm3
1 galón = 3,785 L
1 libra = 453,6 g
1 atm = 1,01325 x 105 Pa = 760 torr = 760 mmHg = 1,01325 bar
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• Es necesario conocer el orden de magnitud de algunas cantidades.
• Orden de magnitud se refiere a la potencia de 10 del valor de una propiedad, expresada en una determinada unidad.
• Ejemplos:
Si m = 3,6 x 104 kg, su orden de magnitud es 104 kg.
Si P = 0,0000276 Pa, su orden de magnitud es 10-5 Pa.
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1012 m
109 m
106 m
103m
10-3m(mm)
100m
10-6m(m)
10-9m
10-12m(pm)
1024 L1021 L
1015 L
1018 L
1012L
106 L
109 L
103 L
10-3 L
100 L
10-6 L
10-9 L
10-21 L
10-24 L
10-18L
10-15 L
10-12 L
10-27 L
10-30 L
1024 g
1018 g
1012g
1015 g
1021g
109g
106 g
103 g
10-3 g
100 g
10-6g
10-24 g
10-9 g
10-12 g
10-15 g
10-18 g
10-21g
Distancia de la Tierra al Sol
Nivel del mar
Altura del Monte Everest
Diám. del átomono radiact. más grande (Cs)
Diámetro de una partícula de humo
Espesor promediodel cabello humano
Diám. del átomomás pequeño (H)
Océanos y mares del mundo
Capacidad pulmonaren un adulto
Pelota de tenisl
Sangre en un adulto
Célula bacterianatípica
Átomo de carbono
Atmósfera de la Tierraa 2500 Km
Transatlántico
Elefante
Humano
1.0 L. De agua
Grano de sal
Proteína
Átomo de Uranio
Molécula de agua
A B C
MAGNITUDESMAGNITUDES
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Prefijos decimales comunes:
Prefijo
símbolo número Notación exponencial Ejemplo con m
tera
giga
mega
kilo
hecto
deca
-
deci
centi
mili
micro
nano
pico
femto
T
G
M
k
h
da
-
d
c
m
n
p
f
1 000 000 000 000
1 000 000 000
1 000 000
1 000
100
10
1
0,1
0,01
0,001
0,000 001
0,000 000 001
0,000 000 000 001
0,000 000 000 000 001
1012
109
106
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
1 Tm = 1012
m
1 Gm = 109 m
1 Mm = 106 m
1 mm = 10-3 m
1 m = 10-6 m
1 nm = 10-9 m
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Para expresar valores: muy grandes
muy pequeños
debe utilizarse la notación científica.
Ejemplo:
V = 0,00055 m3 => V = 5,5 x 10-4 m3
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Cifras significativas
• No es posible medir algo exactamente o conocer una cantidad con absoluta certeza.
• Cada medición que se hace incluye cierta incertidumbre.
• La elección del instrumento para una medición depende de cuánta incertidumbre es aceptable en una situación dada.
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Ejemplo: Al comprar manzanas por kilogramo es per-
fectamente aceptable una balanza cuya escala
mida hasta 0,1 kg (mínimo).
Así, una medida en esa balanza puede ser:
2,0 ± 0,1 kg
“ ± 0,1 kg ” expresa la incertidumbre
y esta incertidumbre significa que las manza-
nas pesan entre 1,9 kg y 2,1 kg
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• Las cifras (dígitos) que se obtienen de una medición están determinadas por la incertidumbre del instrumento utilizado.
• Si las mismas manzanas se pesaran en una balanza cuya escala permite leer hasta 0,01kg, el resultado podría ser:
2,03 ± 0,01 kg
lo que indicaría que la medida está entre 2,02 kg y 2,04 kg.
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Definición
Cifras significativas: son todos los dígitos que tienen significado en una cantidad medida o calculada.
Todo valor debe ser escrito sólo con las cifrassignificativas.
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En el ejemplo de las manzanas:
• El valor de la medición hecha en la:
- primera balanza tiene DOS CIFRAS SIGNIFICATIVAS: 2,0 kg
- segunda balanza tiene TRES CIFRAS SIGNIFICATIVAS: 2,03 kg
• Mientras mayor es el número de cifras significativas menor es la incertidumbre de la medida.
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¿Cuáles cifras son significativas?• Todos los dígitos, contados de izquierda a derecha,
desde el primer dígito distinto de cero son cifras significativas.
• Ejemplos:• 45,6789 g 45,6089 g
• 6 cs 6 cs
• 45,67890 g 0,0031 L
• 7 cs 2 cs
• 0,0031 L 0,010203 kg 2 cs
5 cs
• 0,010203 kg 0,01020300 kg
• 5 cs 7 cs
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… más ejemplos…
• 500 g 500 g
500 g 1 cs 500 g 3 cs
• 5,00 x 102 g• 3 cs
• 5,0 x 102 g• 2 cs
• 5 x 102 g • 1 cs
400 500 600 499 500 501 502498
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¿Cómo se establecen las cs ?
• En sumas y restas: el resultado debe tener tantas cs después del punto decimal como el sumando que tiene menor número de cs decimales.
• Ejemplo:756,230 torr 3 cs después de la “coma”+ 15,9 torr 1 cs después de la “coma”721,130 torr debe tener 1cs después de la
“coma”
Por lo tanto es necesario “redondear” el resultado a 721,1 torr
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• En multiplicación y división: el producto o el cociente resultante debe tener tantas cs como el factor que tiene menor número de cs. (Este factor no debe ser una constante).
• Ejemplo:
5,387 m x 0,25 m x 1,06 m = 1,427555 m3
El resultado debe tener 2 cs, ya que 0,25 es el el factor que menos cs tiene, luego debe informarse:
1,4 m3
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El resultado se debe informar con 4 cs, debido a que de todos los números involucrados en la opreación el que tiene menor número de cs tiene 4. Dese cuenta que el número 3 es una constante.
La respuesta correcta es: 28,21 m2
2m 28,2083
m 6,881m 12,30Superficie
Ejemplo:La siguiente expresión corresponde al cálculo de la terceraParte de la superficie de un rectángulo de lados 12,30 m y6,881 m:
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¿Cómo se “redondea”?
1. Se eliminan los dígitos que siguen al dígito que se debe conservar siempre que sean menores que 5; 50; 500; 5000 etc.
• Ej redondear el número 4,3123 a:
2 cs después de la coma: 4,31
3 cs después de la coma: 4,312
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2. Si el dígito que sigue al que debe mantenerse es mayor que 5, entonces se incrementa en una unidad el dígito que lo precede.
Ejemplo: redondear 0,2865 a 2 cs0,29
3. Si el dígito que sigue al que debe mantenerse es igual a 5, entonces el dígito anterior:
se mantiene si es parse incrementa en una unidad si es impar
Ejemplos: redondear 145,85 a 1 cs después de la coma 145,8
redondear 145,35 a 1 cs después de la coma
145,4
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Problema.
La masa de una muestra de metal es 68,000 g y su volumen es 5 cm3. Determine la densidad del metal en g/cm3.
(Debe escribir su resultado con el número de cifras significativas que le permiten los datos).
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Solución.
De acuerdo a los datos dados, la densidad debe escribirse con:
1 cs
La respuesta correcta es:
metal = 1x10 g/cm3
33
metal
metalmetal /cm13,600...g
cm 5
g 68,000
V
mρ
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Si en el problema anterior el volumen del metal hubiese sido 5,0 cm3, ¿cuál sería el valor correcto para la densidad del metal?
Resuelva, compare, obtenga conclusiones.