Arbol familiar de teorías
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Química:Principios y aplicaciones
En química, la teoría y las aplicaciones se entrelazan como los hilos de un tejido fino.
Las aplicaciones de la química, como la misma ciencia, están bajo un cambio constante.
El cloro es un buen ejemplo de un químico con muchas aplicaciones. Entender la teoría facilita un mejor manejo del químico (elemento o compuesto).
Comenzando:Algunos conceptos claves
Química es el estudio de la composición, estructura y propiedades de la materia y de los cambios que ocurren en la materia.
Materia es todo lo que tiene masa y ocupa espacio. Atomos son las unidades distinguibles más pequeñas en una
muestra de materia. Moléculas son unidades mayores en las cuales se han reunido
dos o más átomos. Compuesto se refiere a los tipos de materia y sus proporciones
relativas en una muestra de materia.
Propiedades
Propiedades físicas Características desplegadas por una muestra de materia
sin experimentar ningún cambio en su composición. Ejemplos: color, olor y conductividad.
Propiedades químicas Características desplegadas por una muestra de materia
que experimenta un cambio en su composición. Ejemplos: quemado, oxidado y reactivado.
Ejemplos
Cambios
Cambios físicos Cambios en apariencia pero sin cambio en su
composición. Ejemplo: derretimiento de hielo en agua.
Cambios químicos Cambios en composición y/o cambios en
estructura molecular. Ejemplo: cocina de comida.
TemperaturaMedida de lo caliente o frío. Se mide con termómetro.
Escalas relativas de temperatura:
Escala de uso general: Celsius (centígrada)Unidad: grado Celsius = ºCSe asigna 0 ºC al punto de congelación del agua y 100 ºC a su punto de ebullición.
Escala estadounidense de temperatura: FahrenheitUnidad: grado Fahrenheit = FSe asigna 32 F al punto de congelación del agua y 212 F a su punto de ebullición.
Escala absoluta de temperatura: KelvinUnidad fundamental SI: kelvin = KEl menor valor que, teóricamente, se puede alcanzar es cero.
373
363
353
343
333
323
313
303
293
283
273
263
253
243
233
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
212
194
176
158
140
122
104
86
68
50
32
14
-4
-22
-40
K ºC ºF
el agua ebulle
el agua congela o funde
Comparación de escalas de temperatura
F = (1,8 · ºC) + 32 ºC = (F – 32) / 1,8
Nótese que las escalas Celsius y Kelvin tienen unidades de igual tamaño, pero 0 ºC es equivalente a 273,15 K, por lo tanto:K = ºC + 273,15 , o bien, ºC = K – 273,15.
Convierta 122,9 F a grados Celsius
F = x 0C + 3295
F – 32 = x 0C95
x (F – 32) = 0C95
0C = x (F – 32)95
0C = x (122,9 – 32) = 50,595
Ejercicios
Convierta: 451 F 60 F 70 F 80 F 90 F 100 F 111 F 10.000 F
Convierta: -60 oC -1 oC 14 oC 24 oC 30 oC 36,5 oC 400 oC 6.000 oC
10-9nNano-
10-12
10-15
p
f
Pico-
Femto-
10-6µMicro-
10-3mMili-
10-2cCenti-
10-1dDeci-
103KKilo-
106MMega-
109GGiga-
1015
1012
E
T
Peta
Tera-
CifraSímboloPrefijo
Table Prefijos Usados en SI unidades
Ejercicios
Convierta: 1 Megabyte en bits 640 Kbytes 5 Mbytes 80 Gbytes 1 Mbps
Convierta: 1.024 bytes 1.048.576 bytes 1.073.741.824 bytes 2.048 bits por segundo 100.000 bits por segundo
Sistemas y prefijos
http://en.wikipedia.org/wiki/International_System_of_Units http://en.wikipedia.org/wiki/SI_prefix http://en.wikipedia.org/wiki/Binary_prefix
Clasificación de la materia
Substancia: Tipo de materia con una composición definida, o fija, que
no cambia de una muestra a otra.
Elemento: Substancia que no puede ser quebrada o fraccionado en
substancias más simples por reacción química.
Compuesto: Substancia hecha de átomos de dos o más elementos,
con los diferentes tipos de átomos combinados en proporciones fijas.
Un esquema de clasificación
SUSTANCIA PURA es un sistema material homogéneo formado por una sola clase de moléculas.
ELEMENTOS son sustancias puras integradas por moléculas homoatómicas.
COMPUESTOS son sustancias puras integradas por moléculas o especies heteroatómicos.
Según el número de átomos que las constituyen, las moléculas pueden ser mono-, di- triatómicas, etcétera y, además, homo- (átomos iguales) o hetero-atómicas (al menos dos clases de átomos).
mono-atómicas:metales, gases nobles
di-atómicas:dihidrógeno, dioxígeno, diflúor, fluoruro de
hidrógeno y otrastri-atómicas:
ozono, agua, sulfuro de carbono, dióxido de azufre y otrastetra-atómicas:
(tetra) fósforo, trihidruro de boro y otrasocta-atómicas:
octa-azufre, etano y otras
Mezclas
Una mezcla no tiene composición fija; su composición podría variar sobre un amplio rango.
Una solución es una mezcla que es homogénea, lo que significa que su composición y propiedades son las mismas en todo.
Una mezcla heterogénea varía en su composición y/o propiedades desde una parte de la mezcla a otra.
1_17
Substances tobe separateddissolved in liquid
Pureliquid
A B C
Cromatografía líquida
Cromatografía gaseosa
Símbolos químicos
Una designación de una o dos letras derivadas del nombre del elemento
Química atómica
• Primeros descubrimientos químicos • Electrones y el núcleo atómico• Elementos químicos• Masas atómicas• Tabla periódica
Primeros descubrimientos
Beguin 1615 Primera ecuación química
Lavoisier 1774 Ley de conservación de masa
Proust 1799 Ley de composición constante
Dalton 1803 Teoría atómica
Teoría atómica de Dalton
Cada elemento está compuesto de partículas llamadas átomos.
Atomos no son creados ni destruidos en las reacciones
químicas.
Todos los átomos de un elemento dado son idénticos.
Compuestos se forman al combinar átomos de varios elementos.
Consecuencias de teoría de Dalton
Al formar monóxido de carbono, 1,33 gramos of oxígeno se combinan con 1,0 gramo de carbono.
Al formar peróxido de hidrógeno, 2,66 gramos de oxígeno se combinan con 1,0 gramo de hidrógeno.
Ley de proporciones definidas: combinaciones de elementos están en razones de pequeños números.
Comportamiento de cargas
Historia y descubrimiento del electrón
La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1905 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Influído por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos. Aunque Stoney propuso su existencia, fue Thomson quien descubrió su carácter de partícula fundamental. Para confirmar la existencia era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Esto fue alcanzado por Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.
George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón al lograr difractar los electrones al atravesar una lámina de metal. Dicho experimento condujo a la aparición de un patrón de interferencia como el que se obtiene en la difracción de ondas como la luz, probando la dualidad onda corpúsculo la mecánica cuántica postulada en 1926 por De Broglie. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937.
Same device, one slit open vs. two slits open (Note the 16 fringes.)
El espín del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro. Seis años antes de los descubrimientos de Thomson, el físico irlandés Stoney había propuesto la existencia de estas partículas, pero no lo había podido comprobar. Como asumía que la partícula tenía carga eléctrica, la denominó electrón. Posteriormente, otros científicos demostraron experimentalmente que estas partículas o electrones, tienen una masa 2000 veces menor que el átomo de hidrógeno.
Tubo de rayos catódicos
Propiedades de rayos catódicos
Electron m/e = -5.6857 x 10-9 gramos coulomb-1
Carga del electrón
En 1906, Robert Millikan mostró que las gotas de aceite ionizado pueden ser balanceadas contra la caída gravitatoria en un campo eléctrico.
La carga es un múltiplo integral de la carga electrónica, e.
carga e- = -1.60 x 10-19 C
Thomson’s carga/masa de e- = -1.76 x 108 C/g
masa e- = 9.10 x 10-28 g
Precisión y exactitud en mediciones
Precisión se refiere a cuán cercanamente se sitúan las mediciones científicas individuales una con otra.
Exactitud se refiere a la cercanía del promedio de un conjunto de mediciones científicas con el valor “correcto” o “más probable”.
Errores muestrales ocurren cuando un grupo de mediciones científicas no representan a la población completa de la variable en estudio.
PRECISIÓN Y EXACTITUD
LA EXACTITUD INDICA CUÁN CERCA ESTÁ UNA MEDICIÓN DEL VALOR REAL DE UNA CANTIDAD
MEDIDA
ERROR
LA PRECISIÓN INDICA CUÁNTO CONCUERDAN DOS O MÁS MEDICIONES EXPERIMENTALES REALIZADAS EN CONDICIONES IDÉNTICAS.
INCERTEZADESVIACIÓN
PRECISIÓN
PRECISIÓN Y EXACTITUD
VALOR VERDADERO O ACEPTADO
BUENA PRECISIÓN Y EXACTITUD
BUENA PRECISIÓN, POCA EXACTITUD
POCA PRECISIÓN,BUENA EXACTITUD
POCA PRECISIÓN, POCA EXACTITUD
Exactitud – cuán cerca está el valor obtenido del valor real
Precisión – cuán reproducibles son los valores obtenidos
exactitud&
precisión
precisopero
no exacto
no exacto&
no preciso
1.8
Comparación de precisión y exactitud
Análisis de cifras significativas en cálculos
1.- Todos los dígitos son significativos, excepto los ceros a la izquierda del número.
2.- Son significativos los ceros terminales, finalizando a la izquierda del punto decimal. Después del punto decimal, agregar ceros a la derecha no significa.
3.- Multiplicación y División: En la respuesta se da tantas cifras significativas, como hay en la medición con el menor número de cifras significativas.
4.- Adición y sustracción: En la respuesta se da el mismo número de lugares decimales que hay en la medición con el menor número de lugares decimales.
Al realizar operaciones aritméticas combinadas, se realiza primero división o multiplicación y luego adición o sustracción, usando el criterio ya mencionado en cada caso.
CUALQUIER DÍGITO DIFERENTE DE CERO ES SIGNIFICATIVO.LOS CEROS UBICADOS ENTRE DÍGITOS DISTINTOS DE CERO SON
SIGNIFICATIVOS.LOS CEROS A LA IZQUIERDA DEL PRIMER DÍGITO DIFERENTE DE CERO
NO SON SIGNIFICATIVOS.SI UN NÚMERO ES MAYOR DE 1,TODOS LOS CEROS ESCRITOS A LA DERECHA DEL PUNTO DECIMAL CUENTAN COMO CIFRAS SIGNIF.
SI EL NÚMERO ES MENOR DE 1,SOLAMENTE LOS CEROS QUE ESTÁN AL FINAL DEL NÚMERO O ENTRE DÍGITOS DIFERENTES DE CERO SON
SIGNIF.PARA NÚMEROS SIN PUNTO DECIMAL, LOS CEROS QUE ESTÁN DESPUÉS DEL ÚLTIMO DÍGITO DIFERENTE DE CERO PUEDEN SER O NO SIGNIF.
CIFRAS SIGNIFICATIVAS
NÚMERO CIFRAS SIGNIFICAT.1,234 440501 50.08 12.0 240.042 5
NÚMERO CIFRAS SIGNIFICAT.0.0000349 30.090 20.3005 4400 1-2-34 X 102 14.0 X 102 24.00 X 102 3NOT. CIÉNTIFICA : N x 10n
N: 1-10 n: (+ ó - )
Ejercicios:
Exprese los siguientes números de acuerdo con la notación científica e indique el número de cifras significativas:
- 0,00000000001 1,000001000 21,000100 1004,016 522,216 0,0103
Ejercicios:
Indique el número de cifras significativas de las cantidades siguientes: 2,010 · 103
7,0 ± 0,1 103 0,16 0,0178 2 “palos” 2 “palos verdes” 2.040.000 2,040 millones
Ejercicios:
Realice las siguientes operaciones y exprese el resultado con el número apropiado de cifras significativas:
3,7 + 0,01 + 219 + 1,4857 18,96 – 1,8 4,1876 · 1,12 0,0018 · 2,1 424 · 0,016 5,45 / 12,12 [2,51(20,03 – 0,605)] / 60,5 [(41,27 – 0,414) · 0,0521 · 7,090] / (0,5135 + 0,0009)
Problemas:
Un profesor deja caer (libremente) un rodamiento desde el piso 34 de Torre Telefonica.Calcule qué aceleración, velocidad (en [km/hr]) y posición experimenta la partícula a los 0, 1, 2, 4, 6, 8 y 10 segundos.a = g (constante) = 9,8 [m/s2]v = g tz = (g t2)/2
Un ayudante de Ingeniería-USS compra un LCD de 37 pulgadas (en proporción aúrea 1,6180339887…) y su padre le regala un rack a la medida para colocarlo. El carpintero pregunta qué dimensiones mínimas (en centímetros) debe tener el estante para colocarlo.
Cifras significativas
Todos los dígitos en un número que son conocidos con certeza más el primer dígito incierto.
Mientras más dígitos significativos se obtengan, mejor es la precisión de una medición.
El concepto de cifras significativas sólo se aplica a mediciones.
Los valores exactos tienen un número ilimitado de cifras significativas.
Reglas para ceros en cifras significativas
Ceros entre dos dígitos significativos son significativos. Un solo cero precediendo un punto decimal no es significativo
(sólo se pone por cosmética) Ceros entre el punto decimal y el primer dígito no cero no son
significativos. Ceros al final de un número son significativos si ellos están a la
izquierda de un punto decimal. Ceros al final de un número podría o no ser significativo si el
número está escrito sin un punto decimal.
Reglas para cálculo con cifras significativas
Una cantidad calculada no puede ser más precisa que los datos usados en el cálculo y los resultados reportados deberían reflejar este hecho.
En multiplicación y división, los resultados informados no deberían tener más cifras significativas que el factor con las menores cifras significativas.
En adición y sustracción, el número de cifras significativas a la derecha del punto decimal se determina por el número con el menor de estos dígitos y los otros números redondeados equivalentemente.
Redondeo de números
Si el dígito a ser descartado es menor que 5, entonces el dígito final remanente queda inalterable.
Si el dígito a ser descartado es igual o mayor que 5, entonces el dígito final remanente se incrementa en uno.
Radioactividad
Radioactividad es la emisión espontánea de la radiación desde una sustancia.
Rayos X y rayos γ son luz de alta energía.
Partículas α son un flujo de núcleos de helio, He2+.
Partículas β son un flujo de electrones de alta
velocidad que se originan en el núcleo.
El núcleo atómico
Geiger y Rutherford1909
El experimento de la partícula α Mucha de la masa y toda la carga
positiva se concentra en una región pequeña llamada el núcleo.
Hay tantos electrones fuera del
núcleo como unidades de carga positiva en el núcleo.
Método científico
Hipótesis, modelos, teorías y leyes
Una teoría científica o ley representa una hipótesis o grupo de hipótesis relacionadas que se han confirmado a través de repetidas pruebas experimentales. Las teorías en ciencias naturales a menudo son formuladas en términos de pocos conceptos y ecuaciones que son identificadas con “leyes de la naturaleza”, sugiriendo su aplicabilidad universal.
Método científico – Rutherford
+ 98% de las partículas pasó 2% pasó pero con mucha deflactación -0.01% rebotó hacia la lámina emisora
Método científico – Rutherford
Método científico
Las teorías científicas aceptadas y las leyes han pasado a ser parte integral de nuestro entendimiento y las bases para explorar áreas del universo.
Una teoría no es descartable fácilmente y se tiende a asumir que los nuevos descubrimientos encajarán en el marco existente. Solamente cuando –después de repetidas pruebas experimentales independientes- el nuevo fenómeno no es inserto en la teoría, los científicos cuestionan su validez y tratan de modificarla.
La validez que se asocia a una teoría científica como realidad representante del mundo contrasta con la descalificación implícita en la frase: “es sólo una teoría”.
Los cambios en el pensamiento científico y las teorías ocurren, por supuesto, a veces revolucionando nuestra visión del mundo (Kuhn, 1962). De nuevo, la fuerza clave para el cambio es el método científico y su énfasis en la experimentación.
El núcleo atómico
Rutherfordprotones 1919
James Chadwickneutrones 1932
Nahum Joel haciendo teatro frente a un juguete nuevo
Participantes extranjeros del Curso Latinoamericano de Cristalografía admirándose con la cámara de
difracción de electrones
Mostrando las novedades a don Julio Garrido: Oscar Wittke, Hugo Villarroel, Julio Garrido, Isabel Garaycochea
Diámetro atómico 10-8 cm Diámetro nuclear 10-13 cm
Estructura nuclear
Partícula Masa Cargakg amu Coulombs (e)
Electron 9.109 x 10-31 0.000548 –1.602 x 10-19 –1Proton 1.673 x 10-27 1.00073 +1.602 x 10-19 +1Neutron 1.675 x 10-27 1.00087 0 0
1 Å
Escala de átomos
Unidades útiles 1 amu (atomic mass unit) = 1.66054 x 10-24 kg
1 pm (picómetro) = 1 x 10-12 m
1 Å (Angstrom) = 1 x 10-10 m = 100 pm = 1 x 10-8 cm
El átomo más pesado tiene una masa de sólo4.8 x 10-22 [gramos]
y un diámetro de sólo 5 x 10-10 [metros].
Mayor átomo pesa 240 amu y mide 50 Å a través.
Típica longitud de enlace C-C 154 pm (1.54 Å)
Isótopos, números atómicos y números másicos
Para representar un átomo particular:
A= número másico Z = número atómico
Midiendo masas atómicas
La tabla periódicaMetales alcalinos
Tierras alcalinas
Metales de transición
Halógenos
Gases nobles
Lantánidos and Actínidos
Grupo principal
Grupo principal
La tabla periódica
Leer masas atómicas Leer los iones formados por los principales grupos de
elementos Leer la configuración electrónica Aprender las tendencias en propiedades físicas y químicas
Litio natural está:
7.42% 6Li (6.015 uma)
92.58% 7Li (7.016 uma)
7.42 x 6.015 + 92.58 x 7.016100
= 6.941 uma
Masa atómica promedio de litio:
Average atomic mass (6.941)
Número atómico (Z) = número de protones en un nucleo
Número másico (A)= número de protones+ número de neutrones
= número atómico + número de neutrones
Isótopos son átomos de un mismo elemento (X) con diferente número de neutrones en el núcleo
XAZ
H11 H (D)2
1 H (T)31
U23592 U238
92
Número másico
Número atómicoSímbolo del elemento
Carbono
El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante.
Se conocen cinco formas alotrópicas del carbono, además del amorfo: grafito, diamante, fulerenos, nanotubos y carbinos.
En 2004 se anunció el descubrimiento de una sexta forma alotrópica: las nanoespumas.
La forma amorfa es esencialmente grafito, pero no llega a adoptar una estructura cristalina macroscópica.
Es pilar básico de la química orgánica: forma parte de todos los seres vivos conocidos. Se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando en 500 mil compuestos por año.
La tabla periódica
¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?
¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?
6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones
¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?
6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones
¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C116 ?
¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?
6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones
¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C116 ?
6 protones, 5 (11 - 6) neutrones, 6 electrones
Period
Group
Alkali M
etal
Noble G
as
Halogen
Alkali E
arth Metal
Un ion es un átomo, o grupo de átomos, que tienen carga positiva o carga negativa.
catión – ion con carga positivaun átomo neutral, puede transformarse en catión
si pierde uno o más electrones.
anión – ion con carga negativaun atomo neutro, se puede transformar en anión,
si gana uno o más electrones.
Na 11 protones11 electrones Na+ 11 protones
10 electrones
Cl 17 protones17 electrones Cl-
17 protones18 electrones
un ion monoatómico contiene solamente un átomo
Un ion poliatómico contiene mas de un átomo
Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3-
OH-, CN-, NH4+, NO3
-
13 protones, 10 (13 – 3) electrones
34 protones, 36 (34 + 2) electrones
Ejercicios
2.5
¿Cuántos protones y electrones existen en: Al2713 ?3+
¿Cuántos protones y electrones existen en: Se7834
2- ?
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