1.- Unidad 1.- La Química y el estudio de la Ingenieria - Magnitudes, unidades, notación científica PDF

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Ingeniería Química - Definición. ... Ingeniería Química es la rama de la Ingeniería que se dedica al estudio, síntesis, desarrollo, diseño, operación y optimización de todos aquellos procesos industriales que producen cambios físicos, químicos y/o bioquímicos en los materiales....

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Curso Introductorio 2020: Módulo – Química

UNIDAD 1 “Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad”. Einstein

Contenidos 1.1 La Química y su importancia en la Ingeniería 1.2 Magnitudes. Unidades en el Sistema Internacional. Reducciones: factores de conversión. Cifras significativas. El redondeo de números. Notación científica. 1.3 Nanotecnología Objetivos: Al finalizar el desarrollo de esta unidad se espera que seas capaz de:  Comprender la importancia de la Química y la necesidad de adquirir una cultura científica  Operar con unidades en distintos sistemas  Reconocer los prefijos que se utilizan para múltiplos y submúltiplos de las unidades  Realizar conversiones de diferentes unidades  Expresar cantidades en notación científica  Realizar el análisis dimensional en la resolución de situaciones problemáticas

1.1. LA QUÍMICA Y SU IMPORTANCIA EN LA INGENIERÍA La Ingeniería, se puede decir que ha nacido con los primeros problemas que los hombres tuvieron que resolver para lograr su supervivencia, no nació por disposición ni ley alguna. Ha evolucionado y se ha desarrollado como un arte práctico y como una profesión a lo largo de más de cincuenta siglos de historia documentada. En un sentido amplio se puede rastrear sus raíces hasta el nacimiento de la civilización misma, y su progreso ha sido paralelo al progreso de la humanidad. En la actualidad, cada uno de nosotros goza….. y sufre por los productos, procesos y servicios generados por la ingeniería. Nuestros antepasados remotos intentaron controlar y utilizar los materiales y las fuerzas naturales para una mayor calidad de vida, tal como se sigue haciendo en la actualidad. Se dedicaron a estudiar y observar las leyes de la naturaleza, y desarrollaron un conocimiento de las ciencias naturales y la matemática. Universidad Nacional de Formosa – Facultad de Recursos Naturales

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Curso Introductorio 2020: Módulo – Química Existe una lista casi ilimitada de materiales, tanto naturales como procesados, que pueden utilizar los ingenieros para llevar a cabo sus proyectos; seleccionan los materiales y sustancias apropiadas según su disponibilidad, costo, teniendo en cuenta sus propiedades físicas y químicas. Los beneficios deben exceder a los gastos, pero también deben cuidar el medio ambiente donde tiene lugar, de modo que todas las obras de ingeniería, desde las más pequeñas hasta las grandes deben beneficiar a la humanidad (Wright, 1994). La ingeniería se define como: ….. La profesión en la que el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales (física, química, biología y geología) adquirida mediante el estudio, la experiencia y la práctica, se aplica con buen juicio a fin de desarrollar las formas en que se pueden utilizar, de manera económica, los materiales y las fuerzas de la naturaleza, en beneficio de la humanidad (Annual Report, 1985). Es así que, tanto el ingeniero como el científico reciben educación completa en las ciencias básicas – matemática y ciencias naturales- sólo que el científico usa su conocimiento principalmente para construir nuevos conocimientos, mientras que el ingeniero lo aplica para diseñar y desarrollar proyectos, dispositivos, estructuras y procesos utilizables (Wright, 1994). La ingeniería es una profesión diversificada, que se compone de varias ramas principales o campos de aplicación, las que han sido creadas como respuesta al constante incremento de los conocimientos fundamentales. Es así que existen las ingenierías: Forestal, Civil, Zootecnista, Agronómica, Hidráulica, Química, Genética, en Sistemas, en Construcciones, en Informática, etc… Independientemente de la especialidad de Ingeniería considerada, todas ellas trabajan con materiales y su importancia en nuestra cultura es mayor de la que se piensa. Cada dimensión de nuestra vida cotidiana está influida en menor o mayor medida por los materiales: transporte, vivienda, vestimenta, alimentación, salud y recreación. En los últimos cincuenta años, se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos para satisfacer las demandas de nuestra moderna y compleja sociedad. ……. La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante de la economía. Por ello es importante que los ingenieros conozcan la estructura interna y las propiedades de los mismos, para seleccionar los más adecuados para cada aplicación. (Callister, 1997). Hablar de materiales significa, en esencia de la materia, sus propiedades y sus cambios, área de conocimiento que es abordado por la Química. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Todo lo que nos forma y rodea es materia y energía. En los cursos básicos de Química se empieza el camino para comprender las leyes que rigen los cambios de la materia y la energía involucrada en ellos. De esto se desprende la necesidad que todos los ingenieros tienen, aun de aquellos cuyo eje principal no es la Química, de los conocimientos básicos de esta ciencia. La Química constituye uno de los pilares fundamentales para la comprensión Universidad Nacional de Formosa – Facultad de Recursos Naturales

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Curso Introductorio 2020: Módulo – Química de otras disciplinas científicas y tecnológicas, y junto con la Física y la Matemática participan en la formación básica y en la construcción de las carreras de ingeniería. Es a partir de la Química que se comprenden:  Las leyes básicas que rigen la naturaleza.  La relación entre las propiedades macroscópicas y la estructura microscópica de los materiales.  ¿Cómo se modifican las propiedades de un medio como el suelo o el agua para su aprovechamiento?  Las formas de generar energía preservando el medio ambiente.  ¿Cuál o cuánto producto o servicio se puede obtener como máximo?  Si el proceso elegido ¿es viable energéticamente?  ¿Cuál es la velocidad del proceso y en qué condiciones se realiza?  ¿Cuál es el rendimiento, de qué depende y cómo se puede mejorar? Si bien las teorías fundamentales de la ciencia cambian relativamente poco, el volumen de información que se obtiene y se acumula a diario, es inmensa. Por eso, uno de los objetivos de la enseñanza de la Química en las carreras de Ingeniería, es lograr que los alumnos seleccionen información relevante y desarrollen la capacidad de apropiarse de los conocimientos científicos, de transferirlos y utilizarlos en su práctica profesional. Ello permitirá la adaptación del futuro profesional a situaciones cambiantes y la adquisición de nuevos conocimientos. En ese contexto, el papel de las Ciencias Básicas en general y de la Química en particular, resulta fundamental como eje formativo de la educación tecnológica, pues para el logro del perfil profesional no se puede prescindir de un aprendizaje riguroso de la ciencia en un mundo en que la generación y la aplicación de conocimientos es la principal fuerza productiva.

Actividad Nº 1. Luego de realizada la lectura del párrafo, te sugerimos responder las siguientes cuestiones: a) Subraya las ideas que te resultan más importantes para la comprensión del texto. b) Redacta una síntesis del párrafo de no más de diez renglones c) ¿Cuáles consideras que son los motivos del estudio de la Química en las carreras de Ingenierías? Cita por lo menos tres. d) Evalúa en forma personal la importancia de la Química en la carrera que has elegido. e) Según tu criterio, ¿qué significa poseer una “cultura científica”?

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Resumir consiste en repetir en pocas palabras lo que se ha dicho o escrito dejando intactos los conceptos básicos y respetando el estilo y el vocabulario del original. Conviene establecer la diferencia entre resumen y síntesis: en el resumen se utiliza el mismo vocabulario y estilo del texto original; en la síntesis, se hace la reducción del texto con vocabulario y estilo propio.

1.2 LAS MAGNITUDES… y los SISTEMAS DE UNIDADES Una de las características principales de la química es que es una ciencia experimental, lo cual implica la realización de numerosas mediciones. Cuando se mide algo, siempre debe indicarse: i. ii. iii.

qué es lo que se midió; con qué se lo comparó (unidad) y qué número se obtuvo (medida).

Lo que se está haciendo es comparar una cantidad de una magnitud con otra cantidad de la misma magnitud, a la cual se toma como unidad. La elección de la unidad es totalmente arbitraria. Las magnitudes son interdependientes, es por esto que si se define un conjunto de unidades, las restantes surgen a partir de ellas por medio de las relaciones entre las magnitudes correspondientes. Por ejemplo, si se definen unidades para las magnitudes longitud y tiempo, la unidad de la magnitud velocidad se deriva de aquellas por la relación que define a la velocidad como el cociente entre el desplazamiento de un móvil, el cual es una longitud, y el tiempo transcurrido. Se tendrán por lo tanto unidades fundamentales (las que se definen) y unidades derivadas (las que se obtienen a partir de las primeras utilizando las relaciones entre las magnitudes correspondientes). Las unidades correspondientes a las distintas magnitudes se agrupan en lo que se llaman sistemas de unidades, como el C.G.S. y el SI. Este último fue adoptado en 1960 y ha sido aceptado universalmente. Está construido a partir de las siete siguientes magnitudes fundamentales:

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Curso Introductorio 2020: Módulo – Química MAGNITUD Masa Longitud Tiempo Temperatura Cantidad de sustancia Intensidad de corriente Intensidad luminosa

NOMBRE kilogramo metro segundo Kelvin mol Ampere o amperio candela

SÍMBOLO Kg m s K mol A cd

Fuente: Temas de Química General. M. Angelini y otros. Editorial EUDEBA.2 da Edición. Año 2010

En la vida cotidiana y en la ciencia no siempre se expresan los resultados en términos de las unidades fundamentales o derivadas de ellas. Para expresar la distancia de la ciudad de Formosa a la de Buenos Aires se hace en kilómetros y no en metros ni centímetros; para expresar la longitud de un lápiz sí se hace en centímetros, y para expresar el diámetro de un tornillo en milímetros. En otras palabras, muchos resultados se expresan en términos de múltiplos y submúltiplos de las unidades; por ejemplo en los casos anteriores, como múltiplos y submúltiplos de la unidad metro (m). En el SI, se emplean ciertos prefijos (letra o sílaba que se coloca antes de algunas palabras para añadir algo a su significación) antepuestos a la unidad para indicar distintos múltiplos y submúltiplos. Cada uno de ellos tiene un símbolo determinado tal como se muestra en la siguiente tabla: Tabla de Prefijos usados para unidades del SI 10n 1024

Prefijo yotta

1021

zetta

Z

1 000 000 000 000 000 000 000

1018

exa

E

1 000 000 000 000 000 000

1015

peta

P

1 000 000 000 000 000

1012

tera

T

1 000 000 000 000

109

giga

G

1 000 000 000

106

mega

M

1 000 000

103

kilo

k

1 000

102

hecto

h

100

101

deca

da

10

100

Símbolo Y

1

ninguno

10−1

deci

10−2 10−3

Equivalencia decimal en los Prefijos del Sistema Internacional 1 000 000 000 000 000 000 000 000

d

0,1

centi

c

0,01

mili

m

0,001

10−6

micro

µ

0,000 001

10−9

nano

n

0,000 000 001

10−12

pico

p

0,000 000 000 001

10−15

femto

f

0,000 000 000 000 001

10−18

atto

a

0,000 000 000 000 000 001

10−21

zepto

z

0,000 000 000 000 000 000 001

10−24

yocto

y

0,000 000 000 000 000 000 000 001

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Curso Introductorio 2020: Módulo – Química Ejemplos:  

7 cm = 7 × 10-2 m = 0,07 m 3 MW = 3 × 106 W = 3 000 000 W

En el caso de la magnitud “longitud”, algunos de los prefijos más utilizados y su equivalencia en el SI, se muestran a continuación en la Tabla 1.3:

Fuente: Química. Raymond Chang. Editorial Mc Hall Gill. Séptima edición. Año 2002.

Existen otros sistemas de medida, como el inglés o anglosajón, cuyas magnitudes, unidades y equivalencias las hallarás en el anexo del cuadernillo. Ahora bien, en las diferentes situaciones problemáticas que se abordarán en esta asignatura, se operará con diferentes magnitudes: longitud, volumen, masa, densidad; y con diferentes unidades para esas magnitudes por ejemplo:

Magnitud

Unidad en el SI

Otras unidades para expresar

Longitud

M

Km, Hm, Dam, dm, cm, mm, μm, nm…

Volumen

m3

Km3, Hm3, Dam3, dm3, cm3, mm3 …

Masa

Kg

Hg, Dag, g, dg, cg, mg, μg, ng…

Densidad

Kg/m3

g/cm3; g/ml; g/dm3 …

Será necesario entonces que aprenda a reducir (pasar) de una unidad a otra. Para ello hay una estrategia conocida como análisis dimensional o método del factor de conversión.

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FACTORES DE CONVERSIÓN. MÉTODO DEL FACTOR UNITARIO El factor de conversión o de unidad es una fracción en la que el numerador y el denominador son medidas iguales expresadas en unidades de medida distintas, de tal manera, que esta fracción vale la unidad. Es un método efectivo para el cambio de unidades y resolución de ejercicios sencillos dejando de utilizar la regla de tres. Este consiste en multiplicar la cantidad dada o conocida (y de sus unidades), por uno o más factores de conversión hasta obtener la respuesta en las unidades buscadas. Es decir: Cantidad conocida (y unidad/es) x Factor de conversión = Cantidad en las unidades deseadas

Por ejemplo, 1Kg = 1000 g ó también 1Kg = 1.106 mg, entonces los factores de conversión podremos expresarlos como un cociente: -

Para el primer caso 1Kg = 1000 g

→

1Kg

1000 g -

Para el segundo caso 1Kg = 1.106 mg

→

ó

1000g

1Kg

1Kg ó 6 1.10 mg

1.106 mg 1Kg

¿Cómo procedería para convertir 50 Kg en mg? ¿Cuál de las dos fracciones del segundo caso elegirá? ¿Por qué? Deberá elegir siempre el factor de conversión que le permita cancelar la unidad no deseada. Por ejemplo, para convertir Kg a mg, elegirá el factor que le permita cancelar la unidad Kg: 50 Kg x

1.106 mg = 5 . 107 mg

1 Kg Otros ejemplos de conversión: 

Ejemplo 1: pasar 15 pulgadas a centímetros (factor de conversión: 1 pulgada = 2,54 cm) 15 pulgadas ×



2,54 cm = 38,1 cm 1 pulgada

Ejemplo 2: pasar 25 metros por segundo a kilómetros por hora (factores de conversión: 1 kilómetro = 1000 metros, 1 hora = 3600 segundos) 25 m × 1 km × 3600 s = 90 km/h s 1000 m 1h

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Curso Introductorio 2020: Módulo – Química 

Ejemplo 3: obtener la masa de 10 litros de mercurio (densidad del mercurio: 13,6 kilogramos por decímetro cúbico) Note que un litro es lo mismo que un decímetro cúbico.

10 L de mercurio × 1 dm3 de mercurio x 13,6 kilogramos = 136 Kg 1 L de mercurio 1 dm3 de mercurio

Para sintetizar… Es importante recordar: Múltiplos y submúltiplos de las unidades del SI Prefijo

Símbolo

Potencia

Prefijo

Símbolo

Potencia

giga

G

109

deci

d

10-1

mega

M

106

centi

c

10-2

kilo

k

103

mili

m

10-3

hecto

h

102

micro

µ

10-6

deca

da

101

nano

n

10-9

Y también algunas magnitudes derivadas y sus unidades:

Magnitud

Unidad

Abreviatura

Expresión SI

Superficie

metro cuadrado

m2

m2

Volumen

metro cúbico

m3

m3

Velocidad

metro por segundo

m/s

m/s

Fuerza

newton

N

Kg·m/s2

Energía, trabajo

julio

J

Kg·m2/s2

Densidad

kilogramo/metro cúbico

Kg/m3

Kg/m3

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Curso Introductorio 2020: Módulo – Química CONEXIÓN CON EL APRENDIZAJE Para completar el tema, investiga en una página web los factores de conversión que relacionan unidades de longitud, volumen y masa o consulta un libro de texto de Química Básica o de Física General. Puedes Consultar también: http://www.disfrutalasmatematicas.com/ (Última consulta 13/12/2016) http://www.academiabiblos.com/ (Última consulta 13/12/2016) www.edison.upc.edu *********************

Actividad N° 2. Te proponemos resolver los siguientes 10 ejercicios. 1. La siguiente rejilla contiene información acerca de los sistemas de unidades. Compara los datos consignados y responde a las siguientes cuestiones: 1 Sistema

2

Métrico Decimal

4

3 1m

5

6,023 x 1023

δ = m/v

Sistema Internacional

6 ∆v = ∆e/∆t

a) Escribe una frase lógica que vincule a las casillas 2 y 3 b) Expresa en el sistema de la casilla 1 las unidades de las casillas 5 y 6 c) ¿Cuál de las casillas contiene: c.1. unidad fundamental c.2. unidad derivada c.3. cantidad de partículas en un mol d) Menciona la unidad de la cantidad expresada en la casilla 4 e) Propone un ítem similar a los anteriores y escribe la respuesta 2. A.- Ordena de menor a mayor (creciente) las siguientes unidades: nm – Mm – cm – Km – mm – Hm B.- Escriba el nombre de cada unidad. 3. Encuentra las equivalencias entre las siguientes unidades: a) kg y g b) g y mg c) mg y kg Universidad Nacional de Formosa – Facultad de Recursos Naturales

d) l y cm3 e) dm3 y cm3 f) dm3 y l 9

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4. Muestra cómo plantearías los problemas siguientes si utilizas el factor o factores de conversión apropiados y escribe la respuesta: a) 0,062 m a cm b) 3000 m a km c) 875 μm a km d) 320 m a nm e) 10,5 cm a m f) 35.000 μm a m 5. Un bolígrafo de punta fina deja una marca cuyo diámetro es de 0,4 mm. Expresa ese valor en cm y en μm. 6. Realiza las siguientes conversiones: a) 0,050 l a ml b) 0,8 μl a ml d) 75 cc a l e) 750 ml a l

7. a) 5,4 g a mg d) 0,1 mg a g

b) 0,725 kg a mg e) 52,4 cg a kg

c) ...