Tema 1-Conceptos preliminares - ? Por materia se entiende algo que tiene masa y volumen, ... comunes

  • Published on
    23-Sep-2018

  • View
    212

  • Download
    0

Transcript

  • Tema 1 CONCEPTOS PRELIMINARES

    1. Introduccin La Qumica es la rama de la ciencia que estudia la materia y los cambios que sta pueda tener. Por materia se entiende algo que tiene masa y volumen, es decir, que ocupa espacio como por ejemplo el agua, el aire, los metales, etc. La qumica no slo es ver cmo determinadas disoluciones cambian de color en un tubo de ensayos cuando se le aade alguna sustancia. El inters por la qumica aparece desde el momento en el que comprendemos que la vida, en el sentido ms amplio de este concepto, se basa en la qumica. Fenmenos tales como el crecimiento de las plantas y el metabolismo, la reduccin de la capa de ozono, la accin de los frmacos, el funcionamiento de las pilas de combustible y la creacin as como las propiedades de nuevos materiales (polmeros conductores, nanomateriales, etc.) no pueden entenderse sin los conocimientos y perspectivas suministradas por la qumica.

    1.1. Las ramas de la qumica En general, la visin de un qumico es la de un personaje con bata que tiene en sus manos tubos de ensayos llenos de alguna sustancia. Pero esto, por supuesto es un esteriotipo. El qumico es mucho ms. Es cierto que muchos qumicos trabajan con tubos de ensayos, aunque hoy en da probablemente no es lo ms habitual, de hecho hay muchos qumicos que si lo hacen, esto ocurre en contadas ocasiones. Existen muchas clases de qumicos, segn en qu se hayan especializado. En general, la qumica suele dividirse en tres grandes grupos:

    a) Qumica orgnica. Estudia los compuestos del carbono b) Qumica inorgnica. Estudia todos los dems elementos y sus compuestos. c) Qumica fsica. Estudia los principios de la qumica.

    Hoy en da se reconocen nuevas reas de conocimiento cuyo columna vertebral es la qumica. Por ejemplo, tenemos la bioqumica (compuestos qumicos, reacciones y otros procesos en los seres vivos), la qumica analtica (tcnicas para la identificacin de sustancias y su cuantificacin), qumica terica (estructura molecular y propiedades en trminos de modelos matemticos), ingeniera qumica (diseo de procesos qumicos industriales), qumica medicinal (desarrollo de frmacos), qumica biolgica (estructura y procesos biolgicos), biloga molecular (bases qmicas y fsicas de la funcin y diversidad biolgicas), ciencia de los materiales (estructura qumica y composicin de los materiales y relacin con sus propiedades). Queda claro por tanto, que la qumica es una de las ramas de la ciencia que debe considerarse como base fundamental para abordar con xito muchos campos profesionales con carcter cientfico-tcnico.

    2. La Qumica como ciencia experimental. El mtodo cientfico

  • Se dijo anteriormente que la Qumica es una rama de la ciencia y como tal as debe ser tratada. Por tanto para entenderla es necesario entender la ciencia como tal, de dnde surge y cmo se trabaja con ella. Estas cuestiones quedan respondidas si se emplea el mtodo cientfico hasta sus ltimas consecuencias. El mtodo cientfico es el procedimiento seguido para encontrar la explicacin de un determinado hecho. Existen muchas variantes pero en lneas generales, el mtodo cientfico consta de los siguientes pasos (Figura 1.1):

    i) Observacin.- sta puede ocurrir por azar o en condiciones experimentales bajo estricto control.

    ii) Recogida de datos.- Lo observado debe recogerse en forma de datos, es decir, se realiza una medicin.

    iii) Anlisis de los datos.- Los datos deben analizarse (representaciones grficas, tablas, imgenes) con objeto de encontrar regularidades o similitudes. Cuando esto ocurre de manera recurrente permitiendo emitir una afirmacin o generalizacin, surge el establecimiento de un a Ley (natural).

    iv) Hiptesis.- Una vez detectadas las regularidades, se deben plantear hiptesis, es decir posibles explicaciones de las leyes establecidas o de los datos obtenidos en trminos de conceptos fundamentales.

    v) Teora.- Una vez que la hiptesis establecida queda confirmadas por nuevos resultados experimentales se puede pasar al planteamiento de una teora que no es ms que la explicacin formal de una ley.

    vi) Modelo.- En general, los cientficos interpretan una teora mediante el empleo de modelos que no son ms que versiones simples o simplificadas de lo estudiado y que finalmente dan lugar a expresiones matemticas que permiten dar respuestas cuantitativas muy prximas a los datos obtenidos experimentalmente.

    Por ltimo, es preciso decir que la validez de una teora y un modelo no slo radica en su capacidad de explicar fenmenos, sino tambin en su posibilidad de hacer predicciones.

  • Figura 1.- Esquema de los pasos a seguir en el Mtodo Cientfico

    3. Conceptos preliminares

    3.1. Materia y energa

    3.1.1. Materia

    Materia es todo lo que nos rodea. El aire, el agua, nuestro cuerpo. Son propiedades comunes a toda la materia tener masa y ocupar un lugar en el espacio. En qumica, una sustancia es una forma de materia simple y pura. Por tanto, el agua y el hierro son sustancias distintas. Sin embargo el aire, que tambin es materia est compuesta de varias sustancias, los gases, hidrgeno, xgeno, nitrgeno, vapor de agua, etc.

    3.1.1.1.Cantidad de materia

    Hemos dicho que la materia se caracteriza por tener masa y ocupar sitio. Pues bien, por medio de cualquiera de estas dos propiedades podemos conocer la cantidad de materia: por su masa o por su volumen. La masa es una de las magnitudes fundamentales del Sistema Internacional de Unidades (S.I.). Su unidad es el kilogramo (kg). El volumen es una magnitud derivada de la longitud. Su unidad en el S.I. es el metro cbico (m3).

    3.1.1.2.Propiedades de la materia Ejemplos generales de propiedades, es decir aspectos que caracterizan a la materia son: su olor, color, sabor, dureza, densidad, etc.

    Observacin (datos)

    Ley (generalizacin)

    Teora

    Modelo (explicacin)

    Hiptesis (Prediccin)

    Experimento (comprobacin de predicciones)

  • Las propiedades de la materia se pueden clasificar en funcin de su dependencia de la cantidad de materia en:

    a) Propiedades intensivas. Son las que no dependen de la cantidad de materia, como la densidad o el ndice de refraccin. Por ejemplo, por mucho agua que tenga, su densidad siempre va a ser la misma, aproximadamente 1 gcm-3 en condiciones normales de trabajo en un laboratorio (25C de temperatura y 1 atmsfera de presin), al mismo tiempo su ndice de refraccin siempre es el mismo (el ngulo con el que se desva la luz al pasar del aire al agua es independiente de la cantidad de agua).

    b) Propiedades extensivas. Son las que dependen de la cantidad de materia. Por ejemplo, la masa y el volumen.

    Por otro lado, las propiedades de la materia se pueden agrupar en dos grandes categoras:

    a) Propiedades fsicas. Son aquellas que presenta la materia sin que cambie su naturaleza, es decir su constitucin bsica. Por ejemplo, el color, la conductividad trmica o elctrica, el punto de fusin, etc.

    b) Propiedades qumicas. Son las que se ponen de manifiesto cuando se producen cambios en la naturaleza de la materia. Por ejemplo, cuando arde el butano o se oxida el hierro. Tales propiedades son por ejemplo, la acidez, la basicidad, carcter reductor, etc.

    Adems, la materia se puede presentar en diferentes formas denominadas estados de agregacin de la materia. Los ms comunes son el slido, el lquido y el gaseoso. Desde un punto de vista fenomenolgico (experimental), las caractersticas de estos tres estados de agregacin son las siguientes. El estado slido se presenta con una forma y volumen fijos, el lquido con un volumen fijo y una forma variable adaptndose a la del recipiente que lo contiene y el gaseoso con una volumen y forma variables adaptndose al del recipiente que lo contiene. Estas caractersticas se pueden explicar en funcin de la disposicin e interaccin entre las unidades bsicas que constituyen la materia en un determinado estado de agregacin.

    3.1.1.3.Clasificacin de la materia

    a) Sustancias puras Es as como se denomina a la materia cuando sta presenta composicin fija, no puede separarse en otras sustancias por medios fsicos, y presentan una temperatura constante durante el cambio de estado. Si la sustancia no fuera pura es que est formada por ms de una sustancia y estaramos hablando de una mezcla con ms de una temperatura de cambio de estado o una temperatura variable a medida que se produce el cambio. Las sustancias puras pueden ser:

    b) Elementos

  • Son las sustancias puras ms simples y no pueden descomponerse por ningn medio a no ser que lo hagan de manera espontnea por ser elementos radiactivos.

    c) Compuestos Son sustancias compuestas por ms de un elemento con composiciones fijas caractersticas. En este caso s pueden descomponerse en otros elementos por mtodos qumicos y fsicos.

    d) Mezclas Es materia constituida por ms de una sustancia pura (componente), es decir por ms de un elemento o compuesto. Su composicin es variable, es decir la cantidad relativa de cada uno de los componentes puede cambiar. Pueden separarse por medios fsicos y la temperatura a la cual se produce el cambio de estado es variable o mltiple (cuando cada componente cambia de estado de manera independiente).

    e) Fase En una determinada muestra de materia, pura o no, una fase se define como una regin de la misma en la que todas las propiedades qumicas y fsicas son uniformemente las mismas. No debe confundirse entre fase y estado de agregacin, pues distintas fases pueden estar en un mismo estado de agregacin, sus definiciones no coinciden.

    f) Mezcla homognea Tambin se denomina disolucin. Es una mezcla con una nica fase

    g) Mezcla heterognea Es una mezcla que posee dos o ms fases

    3.1.1.4.Purificacin e identificacin de sustancias Las sustancias diferentes se distinguen por sus propiedades intensivas. Esto quiere decir que se puede identificar una o varias sustancias que componen un muestra mediante el registro de su color, su densidad, su punto de fusin, su punto de ebullicin y por sus estados de agregacin en unas condiciones determinadas de presin y temperatura. En general, para identificar sustancias es necesario un proceso bsico previo que consiste en purificar la sustancia a identificar, es decir, separarla de otras con las que podra estar mezclada. Siempre que la mezcla est formada por una sustancia voltil (que pasa fcilmente al estado gaseoso) y otra que no lo sea, es fcil separarlas por sublimacin si es una mezcla slida o destilacin (evaporacin preferencial de uno de los componentes y su posterior condensacin) si es una mezcla lquida. Cuando se trata de mezcla de sustancias voltiles, el procedimiento no es tan sencillo. Habra que repetir el proceso de destilacin muchas veces, utilizando cada vez el producto destilado anteriormente, a este proceso se le denomina destilacin fraccionada.

  • Es posible que los componentes de la mezcla no sean voltiles de manera que ser necesario buscar otros mtodos para conseguir realizar la separacin buscada. En este caso en general se busca una propiedad fsica que los diferencie de manera clara. Por ejemplo, su solubilidad (grado en el que uno de los componentes de la mezcla inicial se disuelve, se mezcla homogneamente para dar una disolucin) en un determinado disolvente. Al no ser solubles otros componentes, estos se pueden separar por un simple proceso de filtracin. Otro procedimiento para purificar sustancias es la cristalizacin, disolucin de sustancia y posterior ordenacin de sus unidades constituyentes durante el proceso de evaporacin del disolvente. Se puede purificar ms el producto volviendo a disolver el producto de cristalizacin y cristalizar otra vez (recristalizacin). Hay muchos otros mtodos para purificar sustancias, como la cromatografa, la electroforesis, etc. Pero su fundamento no se encuentra enmarcado dentro de los objetivos que se pretenden en este curso. Para identificar una sustancia, se pueden seguir dos caminos

    a) El anlisis. A veces consiste en la descomposicin de la sustancia en sus constituyentes para saber cules son y en qu proporcin la integran. El anlisis qumico utiliza procedimientos fsicos y qumicos para la identificacin de las sustancias. En la identificacin de un producto desempean un papel importante sus propiedades fscas (color, olor, densidad, etc.). Un dato de gran valor es el punto de fusin si es un slido o el de congelacin o de ebullicin si es un lquido, pues todas las sustancias puras funden, hierven o se congelan a una temperatura determinada. Otros procedimientos fisicoqumicos ms modernos permiten identificar sustancias puras. Por ejemplo, la absorcin Ultravioleta, UV, o infrarroja, IR.

    b) Sntesis. Por ejemplo, si queremos confirmar que el cloruro de hidrgeno es una

    sustancia que contiene cloro e hidrgeno, haremos reaccionar ambos elementos puros y compararemos la sustancia formada con el cloruro de hidrgeno, HCl, para ver si sus propiedades son idnticas.

    3.1.2. Energa

    La energa es la capacidad de hacer trabajo. Se realiza trabajo si un objeto se mueve contra una fuerza que se le opone. La energa mecnica es la energa poseda por un objeto debido, ya sea a su movimiento, energa cintica (Ek), o a su posicin, energa potencial (Ep). Por tanto, la energa total de dicho objeto ser la suma de las dos. ET = Ek + Ep (1)

  • La unidad del sistema internacional, SI, para la energa es el Joule (J) y 1 J = 1 kgm2s-2 La energa cintica, Ek, es la energa que posee un cuerpo debido a su movimiento. Para un cuerpo de masa m que se mueve a una velocidad v, la energa cinticas es

    2

    21

    mvEk ==== (2)

    La energa potencial de un objeto, Ep, es la energa que ste posee a causa de su posicin en un campo de fuerzas, por tanto su expresin depender de la naturaleza de las fuerzas que el objeto experimenta. Por ejemplo, la energa potencial gravitatoria se asocia a la energa que posee una partcula en un campo gravitatorio, mientras que la energa electrosttica se asocia a la que posee una partcula cargada en un campo electrosttico. Un cuerpo de masa m a una altura h sobre la superficie de la tierra tiene una energa potencial gravitatoria Ep = mgh (3) Donde g es el valor de g, la aceleracin de la gravedad, que se suele tomar como un valor constante e igual a 9.81 ms-2. La energa potencial electrosttica, es decir, la debida a atracciones y repulsiones entre partculas cargadas es de gran importancia en qumica, que estudia electrones, ncleos atmicos e iones, todos cargados. La energa potencial electrosttica de una partcula de carga q1 a una distancia r de otra partcula de carga q2 es proporcional a las dos cargas e inversamente proporcional a la distancia que las separa

    rqq

    E p0

    21

    4==== (4)

    Esta expresin se aplica cuando las cargas estn en el vaco, siendo 0 una constante fundamental denominada permitividad del vaco cuyo valor es 8.854 10-12 J-1C2m-1. Otro tipo de energa es la denominada energa electromagntica que es la energa de un campo electromagntico, en concreto la transportada por una radiacin electromagntica (la luz visible/ultravioleta, ondas radio, etc.). Una caracterstica muy importante de la energa es que la contenida en el universo se mantiene constante, es decir no se puede crear ni destruir aunque s se puede transformar un tipo de energa en otro.

    3.1.3. Calor y temperatura

  • La diferencia entre calor y temperatura suele entenderse mal, pero es muy importante. Calor o energa calorfica es la energa que se transfiere directamente de un objeto a otro. Esta energa no se encuentra en forma de calor antes o despus de la transferencia, sino durante la transferencia. El calor es la energa en trnsito. As, despus de que una cantidad de energa calorfica se ha transferido a un objeto no se dir que el objeto contiene ms calor. En tal caso la energa aumentada no deber llamarse calor. Evidentemente, la energa total del objeto debe aumentar de alguna manera. Esto puede suceder de tres modos: o aumentan las energas cinticas de las partculas internas, o aumentan las energas potenciales, o ambas simultneamente. Cuando se producen reacciones qumicas se suministran o absorben diferentes cantidades de calor. Las cantidades dependen de la reaccin y de las cantidades de las sustancias que intervienen. Una reaccin que libera calor se dice que es exotrmica y una que lo absorbe endotrmica. La temperatura de un objeto mide la energa cintica promedio de las partculas que componen un objeto. Cuando se adiciona calor a un objeto, sus partculas (tomos, molculas o iones) se mueven ms rpidamente en promedio, aumentando as su energa cintica. Se observa este aumento como un aumento de la temperatura. Lo que realmente acontece si dos objetos con temperaturas diferentes se ponen en contacto y la del ms caliente decrece y la del ms fro aumenta es que el objeto ms caliente pierde energa calorfica hacia el ms fro. Algunas veces al aadir calor a un objeto, no hay aumento de temperatura. Esto significa que la energa cintica promedio no est aumentando sino que lo hace la energa potencial promedio. Esto acontece cuando una sustancia sufre un cambio de estado.

    3.2. tomos, molculas e iones

    i) tomos La primera teora atmica fue propuesta por J. Dalton en 1805 basndose en medidas de las masas de elementos separados y combinados. Hoy en da es posible visualizar tomos con tcnicas sofisticadas como por ejemplo la Microscopa de Efecto Tnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM). Dalton postul que los tomos eran indivisibles y, desde su punto de vista llevaba razn. En efecto, l necesit introducir el concepto de tomo para explicar las reacciones qumicas y sus leyes y precisamente en estas reacciones los tomos no se dividen. Pero hay una serie de hechos experimentales que demuestran que el tomo es algo complejo, que est constituido por partculas ms pequeas. Tales hechos experimentales son la electrolisis, la descarga en gases y la radiactividad. A partir de dichos experimentos se demostr la existencia de los electrones, partculas cargadas negativamente, los protones, partculas cargadas positivamente y los neutrones sin carga. Por otro lado, mediante espectrometra de masas se descubri la existencia de tomos de un mismo elemento con diferente masa de ah que fuera necesario para un mismo elemento hacer la distincin entre lo que se denominaron istopos. Los istopos de un elemento son

  • distintos tomos de un mismo elemento que se poseyendo el mismo nmero de protones y electrones se diferencian en el nmero de neutrones de ah que posean diferente masa. Debido a lo anterior fue necesario distinguirlos mediante el empleo de smbolos que denotan un determinado elemento junto con unos nmeros que designen el nmero de protones y neutrones en el tomo. As se define el nmero atmico Z como el nmero de protones que posee un determinado tomo de un elemento, mientras que el nmero msico A es la suma del nmero de protones y el de neutrones. De esta manera un istopo se designar con un smbolo identificativo del elemento y el nmero atmico en la parte inferior izquierda del smbolo y el nmero msico en la parte superior izquierda. Por ejemplo, se sabe de la existencia de tres istopos de carbono que se designaran por:

    CC; ; 146136

    126 C con 6, 7 y 8 neutrones respectivamente.

    Se puede determinar la masa de cada tomo de un elemento. Tal masa podra expresarse en kg pero, por una parte esto resultara incmodo (nmeros muy pequeos) y, por otro, al fsico o al qumico lo que le interesa es conocer las masas relativas de los tomos para compararlas entre s. Desde 1961 se toma como patrn de masas atmicas la del istopo estable ms ligero y abundante del carbono ( doce carbono 126 C ) y al que, por convenio, se le asigna el valor de 12.0000. La unidad atmica de masas, u.m.a., es por definicin, un doceavo de la masa del istopo de carbono doce.

    ii) Elementos. Los smbolos de los elementos y la tabla peridica Un elemento es una sustancia constituida por tomos que poseen las mismas propiedades qumicas. Un tomo es la partcula ms pequea de un elemento que posee las propiedades qumicas del elemento. Los nombres de los elementos tienen mltiples procedencias. Por supuesto, por la persona que lo descubri, lugar de procedencia, etc. Los elementos se representan mediante un smbolo qumico que es una abreviatura del nombre del elemento. Algunos estn formados por la primera letra y otros por la primera y la segunda. Los elementos se suelen colocar en un orden especial en lo que se llama la tabla peridica (Figura 2). La localizacin de un elemento en la tabla peridica puede ser una gua excelente para conocer sus propiedades y el tipo de compuestos que dicho elemento puede formar.

  • Figura 2.- La tabla peridica (tomado del siguiente enlace http://www.mcgraw-hill.es/bcv/tabla_periodica/mc.html) ii) Compuestos Un compuesto es una sustancia que contiene tomos de dos o ms elementos en una relacin definida. Los diferentes elementos en un compuesto no estn mezclados sino que sus tomos estn unidos, mediante lo que denominamos enlace, de alguna manera especfica. Por ahora, diremos que existen dos tipos de compuestos: molculas e iones. Las molculas son compuestos formados por un grupo de tomos enlazados que dan lugar a una sustancia elctricamente neutra. Los iones son compuestos formados por un grupo de tomos enlazados que dan lugar a una sustancia elctricamente cargada (positiva o negativamente). Es cierto que existen otros tipos de iones que no estn formados por tomos enlazados (iones monoatmicos) pero a estos no nos estamos refiriendo en estos momentos. Los compuestos se pueden representar a partir de las frmulas moleculares o inicas que muestran el nmero relativo de tomos de cada elemento en un compuesto en trminos de smbolos qumicos de los elementos. Si la frmula muestra simplemente el nmero relativo de tomos nos referimos a la frmula emprica que es la que se puede obtener a partir de datos experimentales. Si la frmula muestra la relacin final total de tomos en el compuesto nos referimos a la frmula molecular o inica.

    4. Medidas y Unidades

  • Es de todos bien sabido que para poder llevar a cabo el mtodo cientfico en primer lugar es necesario observar y de esa observacin recopilar los datos asociados a dicha observacin, a este proceso lo denominamos medida. Lo que se mide es algo que puede tener un valor alto o bajo de ah que hablemos de magnitudes. De todas formas si a la medida de una magnitud que ir asociada a un nmero no la acompaamos de algo que identifique la magnitud ser imposible saber por el resto que no realizaron la medida que es lo que se midi en realidad. A ese algo que identifica a la magnitud se le denomina unidad. Las magnitudes ms empleadas por los qumicos son la masa, m, el volumen, V y la temperatura, T. La masa de una muestra es la cantidad de materia que contiene. El volumen es la cantidad de espacio que ocupa y la temperatura indica lo caliente o fro que est. 4.1. Sistema Internacional de Unidades (S.I.) La medida cuantitativa de una propiedad se realiza por comparacin con la medida de la misma propiedad con una unidad patrn. Siete son las unidades bsicas que constituyen el fundamento del S.I. stas aparecen reflejadas en la tabla 1. Tabla 1.- Unidades bsicas del Sistema Internacional de Unidades

    Magnitud Nombre de la Unidad Smbolo Masa Kilogramo kg

    Longitud Metro m Tiempo Segundo s

    Corriente elctrica Amperio A Temperatura Kelvin K

    Intensidad de luz Candela Cd Cantidad de sustancia Mol mol 4.1.1. Unidades derivadas Las unidades derivadas son las unidades que le corresponden a magnitudes que provienen de la combinacin (multiplicacin, divisin) de otras cuyas unidades son bsicas. Ejemplos de estas magnitudes son el volumen, la fuerza, la energa, la presin, la potencia, etc. El Newton (N), por ejemplo, es la unidad del S.I. de la fuerza. La fuerza es una influencia que modifica el estado de movimiento de un objeto. De acuerdo con la segunda ley de Newton, cuando un objeto experimenta una fuerza ste es acelerado. La aceleracin, a, de un objeto, el cambio de velocidad en el tiempo es proporcional a la fuerza que ste experimenta, segn Masa aceleracin = fuerza, o m a = F (5) Por tanto 1 Newton es la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 kilogramo, 1 metro por segundo en cada segundo

  • 2

    11

    smkg

    N ====

    La unidad del S.I. de la energa es el Joule (J). Se define como la energa gastada (o el trabajo realizado) cuando una fuerza de 1 Newton mueve un objeto de 1 kilogramo de masa 1 metro de longitud, en la direccin en la que se aplica la fuerza. As,

    2

    2111

    smkg

    mNJ ========

    A parte de lo anterior, a veces los datos recogidos son o muy altos o muy bajos respecto de la unidad correspondiente de ah que por facilitar la tarea de expresar los resultados se recurra a la utilizacin de mltiplos o submltiplos de las unidades. En la tabla 2 aparecen los mltiplos y submltiplos de las unidades mtricas. Tabla 2.- Mltiplos y submltiplos de las unidades

    Prefijo Smbolo Significado Ejemplo

    Tera T 1012 1 terametro(Tm)=1x1012m

    Giga G 109 1 gigametro(Gm)=1x109m

    Mega M 106 1megametro(Mm)= 1x106m.

    Kilo K 103 1kilmetro(km) = 1x103m.

    deci d 10-1 1decmetro(dm) = 1x10-1m

    Centi c 10-2 1centmetro(cm)= 1x10-2m

    mili m 10-3 1milmetro(mm) = 1x10-3m.

    micro 10-6 1micrmetro(m) =1x10-6m

    Nano n 10-9 1nanmetro(nm) = 1x10-9m

    pico p 10-12 1picmetro(pm) = 1x10-12m

    fempto f 10-15 1femptometro(fm) = 1x10-15m

    La unidad derivada del S.I. de la presin es el Pascal (Pa), definida como 1 Newton de fuerza por metro cuadrado de rea, es decir

    22 111

    smkg

    mN

    Pa ========

    pero los qumicos suelen emplear la atmsfera estndar (atm) y el milmetro de mercurio (mmHg) como unidades de presin.

  • La temperatura en qumica suele venir dada en la escala Celsius. En esta escala, el agua congela a valor cero, es decir cero grados Celsius o OC, mientras que ebulle a 100C. No obstante existen otras escalas para las que las unidades de la temperatura son diferentes, veamos cul es la relacin entre ellas. En la escala Fahrenheit el agua congela a 32F y ebulle a 212F. Se puede convertir una temperatura de una escala en la otra sin ms que utilizar la relacin: F = 1.8 (T en C) + 32 (C) (6) La escala ms importante es la que se basa en el S.I., llamada Kelvin. El punto cero en esta escala es el llamado cero absoluto de temperaturas, la temperatura ms baja tericamente alcanzable. El segundo punto fijo en esta escala es la temperatura la cual pueden coexistir indefinidamente el agua en estado slido, lquido y gaseoso. A esta temperatura, llamada temperatura del punto triple del agua, se le asign el valor de 273.1600 K. La escala Kelvin es una de las diferentes escalas llamadas escalas absolutas, debido al empleo del acero absoluto como punto fijo. C = K 273.1600 (7) En cuanto a la energa, para muchos qumicos el Joule es menos til que su homlogo mayor, el kilojoule (kJ). Una unidad comn de energa es la calora (cal) cuya equivalencia con el Joule es tal que 1 cal 4.18 J 4.1.2. Factores de conversin El factor de conversin es el nmero por el que es necesario multiplicar el valor asociado a una magnitud en unas determinadas unidades para convertirlo en el valor que tendra con otras unidades (derivadas, mltiplos o submltiplos). Para realizar una conversin de unidades, es decir conseguir un valor en unas unidades concretas (informacin requerida) es necesario multiplicar el valor de la magnitud en otras unidades (informacin dada) por el factor de conversin. Es decir, Informacin requerida = Informacin dada factor de conversin (8) Por tanto,

    dadasUnidades

    requeridasUnidadesconversindeFactor ==== (9)

    Con objeto de facilitar la comprensin de cmo se realiza un cambio de unidades (conversin) mediante la utilizacin del factor de conversin veamos un ejemplo sencillo:

  • Transformar un rea de 20 cm2 al valor del rea en m2.

    rea (m2) =

    20 cm2

    22

    110

    cmm

    = 20 10-4 m2

    Informacin requerida Informacin dada Factor de conversin 4.2. Medida. Exactitud y Precisin La exactitud hace referencia a la veracidad del nmero en un sentido absoluto. El trmino precisin no se refiere a la veracidad absoluta del nmero sino al grado de esfuerzo y cuidado que se tuvo en la obtencin del nmero (la medida). Las cifras significativas son dgitos que sirven para establecer el valor del nmero. Los ceros indicados nicamente para localizar el punto decimal no son cifras significativas, as, el nmero 4.56 tiene tres cifras significativas y lo mismo acontece con el nmero 0.00456. Cuando un nmero se escribe correctamente, se suele seguir la regla de que la ltima cifra significativa (a la derecha) es la nica que puede ser un poco imprecisa o dudosa. Cuando se realiza una medida, el dato obtenido debe expresarse de tal modo que quede reflejada la precisin con que se realiz la medida. Por ejemplo, si pesamos 2 g de MgCl2 en una balanza cuya precisin es de 1 mg, el dato obtenido debera expresarse como 2.000 g, donde el tercer cero despus del punto decimal nos indica la posicin de la cifra significativa asociada a los miligramos. Al realizar clculos con nmeros determinados experimentalmente es importante que cada resultado se exprese con el nmero propio de cifras significativas. Para ser especfico un resultado calculado no debe expresar mayor o menor precisin que la justificada por los nmeros en los que se basa el clculo. Con el fin de asegurar que ste es el caso, se emplean dos reglas para el clculo aritmtico. La primera establece que en la adicin y sustraccin el nmero de dgitos a la derecha del punto decimal en un resultado calculado debe ser el mismo que el nmero de tales dgitos en el trmino que suma o resta tiene menos dgitos a la derecha del punto decimal. De manera que, en algunos casos, ser necesario realizar una aproximacin o redondeo. Por ejemplo: La suma 3.45 + 2.1 es igual a 5.55, sin embargo, el resultado no puede tener ms de un dgito despus del punto decimal, por tanto es necesario redondear el resultado a 5.6. En la multiplicacin y divisin es necesario contar las cifras significativas y asegurarse de que el nmero de cifras significativas en el resultado sea el mismo que el mnimo nmero de cifras significativas de cualquiera de los trminos multiplicados o divididos. Por ejemplo la multiplicacin 3.11 (tres cifras significativas) 4.0 (dos cifras significativas) = 12.44 (cuatro cifras significativas), como el resultado no puede tener ms de dos cifras significativas, entonces es necesario redondear el resultado a 12. 4.2.1. Errores en las medidas

  • La estimacin del error de una medida tiene siempre una componente subjetiva. En efecto, nadie mejor que un observador experimentado para saber con buena aproximacin cul es el grado de confianza que le merece la medida que acaba de tomar. No existe un conjunto de reglas bien fundadas e inalterables que permitan determinar el error de una medida en todos los casos imaginables. Muchas veces es tan importante consignar cmo se ha obtenido un error como su propio valor. Sin embargo, la aplicacin de algunos mtodos estadsticos permite objetivar en gran medida la estimacin de errores aleatorios. La estadstica permite obtener los parmetros de una poblacin (en este caso el conjunto de todas las medidas que es posible tomar de una magnitud), a partir de una muestra (el nmero limitado de medidas que podemos tomar) 4.3.1. Mejor valor de un conjunto de medidas Supongamos que medimos una magnitud un nmero n de veces (x1, x2, , xn). Debido a la existencia de errores aleatorios, las n medidas sern en general diferentes. El mtodo ms razonable para determinar el mejor valor de estas medidas es tomar el valor medio. En efecto, si los errores son debidos al azar, tan probable es que ocurran por defecto como por exceso, y al hacer la media se compensarn, por lo menos parcialmente. El valor medio se define por:

    N

    xmedidasNdemediax

    N

    1ii

    ============

    y este es el valor que deber darse como resultado de las medidas. 5. Moles y Masas molares

    i) El mol Segn la definicin de masa atmica, puede comprobarse que en 12.0000 g del istopo 12 del carbono, en 1.00797 g de hidrgeno natural y en 15.9997 g de oxgeno natural, hay el mismo nmero de tomos. Se llama nmero de Avogadro, Nav, a un nmero igual al de los tomos existentes en 12 gramos, exactamente, del istopo doce del carbono y su valor es 6.0221 1023. Por definicin, un mol de sustancia equivale a Nav (nmero de avogadro) partculas de dicha sustancia. ii) La masa molar La masa molar de un elemento es la masa por mol de tomos de dicho elemento. En el caso de un compuesto es la masa por mol de molculas o iones de dicho compuesto.

  • iii) Volumen molar Es el volumen ocupado por mol de cual quier sustancia gaseosa o lquida. En concreto Un mol de cualquier gas (considerado ideal) a 0C y a la presin de 760 mmHg ocupa 22.4 litros. 5.1. Determinacin de las frmulas qumicas Para determinar la frmula emprica de un compuesto, se comienza midiendo la masa de cada elemento presente en una muestra. El resultado se expresa en general como composicin porcentual de la masa, es decir la masa de cada elemento expresada como tanto por ciento de la masa total del compuesto:

    100% muestra la de total masa

    muestra la en elemento del masa %m elemento, del masa en Porcentaje ==== (10)

    Posteriormente, se determina para una determinada cantidad de muestra (podran ser 100 g) el nmero de moles de cada uno de los tomos que forman parte del compuesto. Para eso lo nico que hay que hacer es dividir la masa de cada elemento por la masa de un mol de dicho elemento (su masa atmica). Una vez que se ha calculado el nmero de moles de cada elemento en una masa determinada de muestra, se calcula la cantidad relativa de moles de cada uno de los elementos del compuesto. Para ello se selecciona el clculo ms sencillo que permita obtener nmero enteros. De esta manera de todos los elementos se toma el valor del menor nmero de moles y se divide por el nmero de moles de cada elemento. Obtenindose en cada caso el nmero de moles relativo de cada elemento respecto de aqul que posee menor nmero de moles. Por ltimo, la frmula se representa escribiendo los smbolos de los elementos que componen el compuesto y en cada uno de ellos en su parte inferior derecha se coloca el valor relativo de moles obtenido en cada caso. La manera ms sencilla de explicar cmo se realiza la determinacin de una frmula emprica es a travs de un ejemplo. Un laboratorio de anlisis de vitamina C mostr que su composicin porcentual en masa es de: 40.9% de C; 4.57% de H y 54.5% de O. Cul es su frmula emprica?

    i) determinacin de la cantidad en moles de cada elemento presente en 100 g de muestra

    molg

    molgmolC 41.3

    01.12

    19.40)( ==

    molg

    molgmolH 53.4

    008.1

    157.4)( ==

    molg

    molgmolH 41.3

    00.16

    15.54)( ==

  • sabemos que el nmero de tomos es directamente proporcional al nmero de moles de cada elemento, por tanto la cantidad relativa en tomos de cada elemento se puede obtener dividiendo el nmero de moles de cada elemento por el menor nmero de moles obtenido para los elementos en cuestin, en este caso 3.41. Por tanto: C : H : O = 3.41 : 4.53 : 3.41 = 1 : 1.33 : 1 Expresndolo mediante el menor nmero entero de tomos (en este caso multiplicando por tres) tenemos el menor nmero entero relativos de tomos. C : H : O = 3 : 4 : 3 Muchas veces se necesita saber la frmula molecular de un compuesto que muestra el nmero real de tomos de cada elemento presente en una molcula, para ello es necesario conocer la masa molar del compuesto y su frmula emprica. La masa molar de un compuesto es la masa por mol de molculas de un determinado compuesto. Es decir la suma de las masas atmicas de los elementos que componen el compuesto multiplicado en cada caso por el de tomos correspondiente. As, la masa molar del agua, cuya frmula molecular es H2O, sera: Masa molar del H2O = 2(masa atmica del H) + masa atmica del O Masa molar del H2O = 21.008 + 16.00 = 18.02 Determinacin de una frmula molecular a partir de una frmula emprica Lo nico que es necesario es calcular la masa asociada a la frmula emprica y obtener el cociente entre sta y la masa molecular que se debe suministrar como dato. El valor del cociente nos indicar el nmero por el cual hay que dividir o multiplicar el nmero de tomos de cada elemento de tal manera que la masa asociada a la nueva frmula coincida con la masa molecular. De nuevo, la mejor manera de entender lo anterior es a travs de un ejemplo: La espectrometra de masas muestra que la masa molar del etanol es 46.07. Por otro lado se determin que la frmula emprica de este compuesto era C2H6O. La masa asociada a dicha frmula emprica es: Masa molar de C2H6O = [2M(C) + 6M(H) + M(O)] = (212.01 + 61.008 + 16.00) = 46.07

    107.46

    07.46

    ).(

    ).( ==MolecularFM

    EmpricaFM

    En este caso la frmula emprica y la molecular coinciden. 6. Ecuaciones qumicas

  • Una ecuacin qumica es la manera de expresar lo que ocurre en una reaccin qumica. Es decir que unos reactivos de alguna manera se transforman en unos productos. Para ello en la parte de la izquierda de la ecuacin se escribe en forma de suma y mediante la utilizacin de smbolos las frmulas asociadas a los compuestos o elementos que forman parte de los reactivos, despus se escribe una flecha con sentido derecho indicando el sentido de la reaccin (dos flechas en sentidos opuestos indican la presencia de un equilibrio qumico) y por ltimo en forma de suma se escriben los productos. Por otro lado se debe escribir tambin el estado en el que se encuentran tanto los reactivos como los productos; si es un gas, lquido, slido o disolucin acuosa se indicar por (g), (l), (s) o (ac) respectivamente. Por ejemplo, la reaccin de hidrgeno con oxgeno para dar agua se expresara mediante su ecuacin qumica de la forma siguiente: H2 (g) + O2 (g) H2O(l) Por tanto una ecuacin qumica es un expresin que muestra las frmulas de los reactivos y los productos. Para que la ecuacin est completa es necesario que est ajustada, es decir que se cumpla la ley de conservacin de la masa en las reacciones qumicas. No es posible que la masa de reactivos sea diferente a la de productos. En caso de que estas masas no coincidan ser necesario realizar un ajuste de la reaccin. Para ello se aadirn los nmeros (coeficientes estequiomtricos) necesarios delante de las frmulas de los reactivos y los productos que indicarn la proporcin de ellos y que permitan finalmente ajustar la masa a ambos lados de la ecuacin. As en el caso de la ecuacin qumica anterior ser necesario poner un 2 delante de la molcula de hidrgeno y de la del agua indicando que 2 molculas (o moles) de hidrgeno reaccionan con una molcula (o mol) de oxgeno para dar dos molculas (o moles) de agua. 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O(l) Por tanto una ecuacin qumica est ajustada cuando el mismo nmero de tomos de cada elemento aparece a ambos lados de la flecha en la ecuacin qumica. 7. Estequiometra La interpretacin cuantitativa de las reacciones qumicas es la parte de la qumica denominada estequiometra. Como vimos anteriormente en una ecuacin qumica el coeficiente estequiomtrico nos indica la cantidad relativa (nmero de moles) de la sustancia que reacciona o es producida. Entonces, los coeficientes estequiomtricos de la ecuacin qumica anterior indican de manera resumida que: 2 mol H2 1 mol O2; 2 mol H2 2 mol H2O y que 1 mol O2 2 mol H2O El signo significa qumicamente equivalente a y a estas expresiones se las denomina relaciones estequiomtricas. La estequiometra tiene importantes aplicaciones prcticas, como predecir qu cantidad de producto puede formarse en una reaccin. Por ejemplo para determinar la masa de un

  • producto que puede formarse a partir de una masa conocida de reactivo, primero se convierten los gramos de reactivo en moles (n moles = masa de reactivo/masa molar), despus a partir de la correspondiente relacin estequiomtrica se determina el nmero de moles de producto y por ltimo se convierten los moles de producto en gramos (masa de producto = n moles de producto masa molar de producto). Supongamos que disponemos de 20 gramos de hidrgeno y queremos calcular i) la masa de oxgeno necesaria para que todo el hidrgeno reaccione para dar agua y ii) la masa de agua obtenida en dicha reaccin. i) En primer lugar calculamos el n de moles de H2 en 20 g. Como la masa molar del H2 es 2, entoces:

    )(10)(2

    )(20

    )(

    )()(

    12

    22 molmolg

    g

    HM

    HmHn ===

    Las relaciones estequiomtricas nos dicen que: 2 mol H2 1 mol O2; 2 mol H2 2 mol H2O y que 1 mol O2 2 mol H2O Por lo que n mol de oxgeno = n(O2) = (1/2)mol de H2 = 10/2 = 5 mol masa de O2 = m(O2) = n(O2) M(O2) = 5 (mol) 32 (gmol-1) = 160 g ii) Por ltimo, como se consumen el mismo nmero de moles de H2 que los que se producen de H2O, el nmero total de moles de agua producidos sern 10 y la masa ser: masa de H2O = m(H2O) = n(H2O) M(H2O) = 10 (mol) 18 (gmol-1) = 180 g 7.1. Reactivos limitantes Los clculos estequiomtricos realizados anteriormente corresponden a reacciones ideales donde todos los reactivos se consumen para dar productos. Sin embargo, en muchas ocasiones esto no ocurre as, consumindose algn reactivo de manera parcial debido a la existencia de alguna otra reaccin competitiva, porque la reaccin no se haya completado cuando se realizaron las mediciones o simplemente porque la reaccin no se completa al llegarse a una situacin de equilibrio en la que los reactivos desaparecen para dar productos a una velocidad igual a la que los productos desaparecen para dar los reactivos. Se define el rendimiento terico de una reaccin como la mxima cantidad (masa o volumen) de producto que puede obtenerse a partir de una cantidad de reactivo. El rendimiento porcentual es la fraccin del rendimiento terico realmente producida, expresada como porcentaje:

  • 100dim

    dimRedimRe =

    tericoientoren

    realientonporcentualienton

    Un reactivo limitante en una reaccin es el que determina el mximo rendimiento de producto. Para decidir cul de los reactivos es el limitante, se compara el nmero de moles de cada reactivo suministrado con los coeficientes estequiomtricos. Por ejemplo, supngase que se encuentra disponible 3 moles de H2 pero solamente un mol de O2. Debido a que esta cantidad de oxgeno es menor que la requerida por la reaccin estequiomtrica, el oxgeno sera el reactivo limitante. Una vez identificado el reactivo limitante, se puede calcular la cantidad de producto que puede formarse. Tambin se puede calcular la cantidad de reactivo en exceso que queda al final de la reaccin.

Recommended

View more >