89001577 Quimica Industrial OK PDF

Preview

Summary

apuntes para desarrollar trabajos dejados y facilitar la comprensión y desarrollo...

Description

Química Industrial

Código: 89001577 Profesional Técnico

QUÍMICA INDUSTRIAL ÍNDICE I.

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA GENERAL. ___________________________ 7 1.1. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA. _______________________ 7 1.2. MATERIA, PARTÍCULA, MOLÉCULA, ÁTOMO. ________________________ 7 1.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LA MATERIA. ________________ 8 1.4. CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA. SUSTANCIA SIMPLE Y COMPUESTA. __ 9 1.5. MEZCLAS: HOMOGÉNEA Y HETEROGÉNEA. ________________________ 9 1.6. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.____________________________________ 11

II.

ESTRUCTURA ATÓMICA. _________________________________________ 12 2.1. MODELOS ATÓMICOS. __________________________________________ 12 2.2. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO. _____________________________________ 14 2.3. EJERCICIOS DE APLICACIÓN. ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE. _______ 18

III. TABLA PERIÓDICA (T.P.). _________________________________________ 19 3.1. ELEMENTOS DE LA T.P. _________________________________________ 19 3.2. NOMBRE, SÍMBOLO, NÚMERO ATÓMICO, PESO ATÓMICO. ___________ 20 3.3. PERÍODOS Y GRUPOS DE LA T.P. ________________________________ 21 3.4. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.____________________________________ 25 IV. ENLACE QUÍMICO. _______________________________________________ 27 4.1. VALENCIA, NÚMERO DE OXIDACIÓN. _____________________________ 27 4.2. AFINIDAD ELECTRÓNICA, ELECTRONEGATIVIDAD. _________________ 28 4.3. ENLACE QUÍMICO. _____________________________________________ 28 4.4. ENLACE IÓNICO: CATIONES Y ANIONES, ENERGÍA DE IONIZACIÓN. ___ 29 4.5. ENLACE COVALENTE. __________________________________________ 31 4.6. ENLACE METÁLICO. ____________________________________________ 31 4.7. PUENTES DE HIDRÓGENO. ______________________________________ 32 4.8. COMPOSICIÓN PORCENTUAL. ___________________________________ 32 4.9. DETERMINACIÓN DE FÓRMULAS: EMPÍRICA, MOLECULAR. __________ 33 4.10. EJERCICIOS DE APLICACIÓN. __________________________________ 35 V.

ESTEQUIOMETRÍA. ______________________________________________ 38 5.1. REACCIONES QUÍMICAS. _______________________________________ 38 5.2. BALANCE DE ECUACIONES QUÍMICAS.____________________________ 40 5.3. RENDIMIENTO QUÍMICO. ________________________________________ 42 5.4. REACCION DE COMPOSICIÓN, ADICIÓN O SÍNTESIS. ________________ 43 5.5. REACCION DE DESCOMPOSICIÓN. _______________________________ 44

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

5

QUÍMICA INDUSTRIAL 5.6. REACCIÓN DE SIMPLE SUSTITUCIÓN. ____________________________ 44 5.7. REACCIÓN DE DOBLE SUSTITUCIÓN. _____________________________ 45 5.8. REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN. ________________________ 46 5.9. REACCIONES ÁCIDO-BASE. _____________________________________ 47 5.10. pH, FUERZA DE UN ÁCIDO Y DE UNA BASE. ______________________ 48 5.11. EJERCICIOS DE APLICACIÓN. __________________________________ 48 VI. FUNCIONES QUÍMICAS. __________________________________________ 53 6.1. HIDRUROS METÁLICOS Y NO METÁLICOS. ________________________ 53 6.2. FUNCIÓN ÓXIDO, NOMENCLATURA. ______________________________ 55 6.3. FUNCIÓN HIDRÓXIDOS, NOMENCLATURA. _________________________ 56 6.4. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.____________________________________ 57 6.5. ÁCIDOS OXÁCIDOS, NOMENCLATURA. ____________________________ 58 6.6. ÁCIDOS HIDRÁCIDOS, NOMENCLATURA. __________________________ 59 6.7. SALES: NEUTRAS, ACIDAS, BÁSICAS, MIXTAS, HIDRATADAS._________ 60 6.8. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.____________________________________ 61 VII. SOLUCIONES. ___________________________________________________ 63 7.1. SOLVATACIÓN, HIDRATACIÓN. __________________________________ 63 7.2. TIPOS DE SOLUCIONES. ________________________________________ 63 7.3. UNIDADES DE CONCENTRACIÓN. ________________________________ 65 7.4. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.____________________________________ 69 VIII. QUÍMICA ORGÁNICA. ____________________________________________ 73 8.1. QUÍMICA DEL CARBONO. ESTRUCTURA MOLECULAR. PROPIEDADES. 73 8.2. PROPIEDADES GENERALES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS. ____ 77 8.3. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.____________________________________ 82 IX. ALCOHOLES Y ALDEHÍDOS. ______________________________________ 87 9.1. ALCOHOLES. __________________________________________________ 87 9.2. EJERCICIOS DE APLICACIÓN.____________________________________ 91 X.

CETONAS Y ACIDOS CARBOXÍLICOS. ______________________________ 93

10.1.CETONAS. _____________________________________________________ 93 10.2. PRINCIPALES COMPUESTOS Y DERIVADOS. _____________________ 94 10.3. EJERCICIOS DE APLICACIÓN. __________________________________ 97 BIBLIOGRAFÍA. ___________________________________________________ 99

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

6

QUÍMICA INDUSTRIAL

I.

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA GENERAL.

QUIMICA: Es una ciencia que se encarga de estudiar la estructura interna, propiedades y combinaciones de la materia.

1.1. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA.

ESTADO SÓLIDO: Tiene forma y volumen definido, sus moléculas están muy cerca unas de otras, se atraen y prácticamente no se mueven solo vibran en su lugar. ESTADO LÍQUIDO: Tienen volumen definido pero adoptan la forma que los contiene, se debe a que sus moléculas están un poco más alejadas unas de otras y se mueven a mayor velocidad. ESTADO GASEOSO: No tienen forma ni volumen propio, los gases son comprensibles ya que las moléculas están muy alejadas unas de otras y la velocidad a la que se mueven es aún mayor.

1.2. MATERIA, PARTÍCULA, MOLÉCULA, ÁTOMO.

CUERPO: Porción limitada de la materia que tiene propiedades definidas como color, tamaño, forma, densidad, viscosidad, etc. ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

7

QUÍMICA INDUSTRIAL PARTÍCULA: Mínima parte de división de la materia que se obtiene por medios mecánicos como trituración, pulverización, martillación, etc. Ejemplo: el azúcar impalpable, la harina fina, etc. MOLÉCULA: Es un agregado de por lo menos 2 átomos que se mantienen unidas a través de fuerzas químicas llamados enlaces químicos. Puede contener átomos del mismo elemento o átomos de dos o más elementos, siempre en una proporción fija de acuerdo con la ley de las proporciones definidas. Se obtiene por medios físicos como la disolución, ebullición, etc.

ELEMENTO / COMPUESTO H2

NOMBRE

TIPO DE MOLÉCULA

Hidrógeno

Diatómica

N2

Nitrógeno

Diatómica

O2

Oxígeno

Diatómica

F2

Flúor

Diatómica

Cl2

Cloro

Diatómica

Br2

Bromo

Diatómica

O3

Ozono

Poliatómica

C2H5

Etano

Poliatómica

Al2O3

Oxido de aluminio

Poliatómica

Cl4C

Cloroformo

Poliatómica

SO2

Dióxido de azufre

Poliatómica

ÁTOMO: Es la mínima porción de la materia que se obtiene por medios químicos; es decir, mediante reacciones químicas. El átomo es un sistema energético en equilibrio.

1.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LA MATERIA. PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MATERIA. Se puede medir y observar esta propiedad sin modificar la composición o identidad de la sustancia, nos permiten descubrir su aspecto. Ejemplo: color, punto de ebullición, densidad, dureza, tenacidad, etc.

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA MATERIA. Se puede observar esta propiedad al realizar un cambio químico o cambiar su identidad básica. Ejemplo: oxidación del cobre, combustión de la gasolina, etc.

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

8

QUÍMICA INDUSTRIAL 1.4. CLASIFICACIÓN

DE

LA

MATERIA.

SUSTANCIA

SIMPLE

Y

COMPUESTA. - MATERIA: Todo objeto o material que ocupa un determinado lugar en el espacio, que tiene masa, se puede ver y tocar. - SUSTANCIA: Poseen fórmula química que no varía. Están constituidas por átomos iguales y/o distintos en una proporción fija. Se caracterizan por tener composiciones fijas y responder a propiedades constantes. - SUSTANCIAS SIMPLES: Es aquella en que sus moléculas están formadas por una sola clase de átomo. Por ejemplo, el oxígeno (O2) y el ozono (O3), están formados sólo por átomos de oxígeno; el diamante y el grafito, están formados por átomos de una única clase, los del elemento carbono; otro ejemplo lo constituyen los gases nobles, metales, no metales y metaloides. - SUSTANCIAS COMPUESTAS: Son aquellas sustancias puras en cuya composición encontramos varias clases de átomos en una proporción constante. Pueden separarse mediante procedimientos químicos. Para distinguir una sustancia pura de otra nos basamos en sus propiedades. Así por ejemplo son sustancias compuestas: metano (CH4), formol (HCHO), los compuestos orgánicos e inorgánicos. Ejemplo: azúcar, sacarosa, oxido de calcio o cal viva.

Separación por métodos Físicos

Separación por métodos

químicos

1.5. MEZCLAS: HOMOGÉNEA Y HETEROGÉNEA. - FASE: Se define como los distintos estados de una sustancia presente en un mismo sistema. Una fase es una parte homogénea de un sistema y aunque está en contacto con otras partes del mismo; está separada de esas partes por un límite bien definido.

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

9

QUÍMICA INDUSTRIAL - MEZCLA HOMOGÉNEA: Son aquellas donde una sustancia se disuelve en otra, no hay reacción química, se encuentra en una fase. Está conformada por soluto (moléculas o iones, se disuelve, menor cantidad, más de uno y determina el nombre de la solución) y solvente (disuelve al soluto, está en mayor cantidad, solo uno, determina el estado físico de la solución). Sólidas: Cu(S) + Sn(S) + Zn(S) Hg(L) + Ag(S)

→ →

BRONCE AMALGAMA DE PLATA

Liquidas: NaCl(S) + H2O(L)

→

SALMUERA

CO2(G) + H2O(L)

→

AGUA GASEOSA

H2O2 (L) + H2O(L)

→

AGUA OXIGENADA

Gaseosa: AIRE SECO (78% N2 ,21% O2, 1% OTROS) MEZCLA HETEROGÉNEA: Aquella que posee una composición no uniforme en la cual se pueden distinguir a simple vista sus componentes y está formada por dos o más sustancias, físicamente distintas, distribuidas en forma desigual. Por ejemplo agua con mercurio, agua con aceite, etc. EMULSIÓN, SUSPENSIÓN, COLOIDE, SOLUCIÓN. - EMULSIONES: Conformada por 2 fases liquidas inmiscibles. Ejemplo: agua y aceite, leche, mayonesa, diámetro dispersión ≤ 0.005 mm. - SUSPENSIÓN: Conformada por una fase sólida y una líquida. Las partículas dispersas son relativamente grandes. Ejemplo: Arcilla, tinta china (negro de humo + H2O). Su diámetro varía entre 0.0001 mm y 0.1 mm. - COLOIDES: Sistema heterogéneo en donde el sistema disperso puede ser observado a través de ultramicroscopio. Su diámetro varía entre 0.0001 mm y 0.000001 mm. Una propiedad óptica de los “COLOIDES” consiste en la difracción de los rayos de luz que pasan a través de una disolución coloidal (EFECTO Tyndall). Esto no ocurre si el rayo de luz atraviesa una solución verdadera. Por ejemplo: las espumas, las nubes, la neblina, las pinturas, la clara de huevo, la gelatina, etc. - SOLUCIONES: Es un sistema Homogéneo, de una fase donde las partículas que se disuelven son iones o moléculas. Ejemplo: solución azucarada. Su diámetro varía entre 0.000001 mm y 0.0000001 mm. ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

10

QUÍMICA INDUSTRIAL 1.6. EJERCICIOS DE APLICACIÓN. ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE: 1. Identifique los estados de agregación de la materia que encuentra en un supermercado, una panadería, un hospital, en el SENATI, una universidad, etc. 2. Identificar en objetos de uso práctico, sus componentes y relacionar con los temas estudiados (obtención de partículas). 3. Identificar las propiedades físicas y químicas de la materia. 4. Hacer una lista de sustancias, mezcla homogénea, mezcla heterogénea. 5. El ácido acético presente en el vinagre (CH3COOH) ¿Cuántos átomos contiene cada uno de los elementos que la conforman? 6. El ácido carbónico (H2CO3) ¿Cuántos átomos contiene de cada uno de los elementos que la conforman? 7. El ácido fosfórico (H3PO4) ¿Cuántos átomos contiene de cada uno de los elementos que la conforman? 8. Identificar cuál de las siguientes mezclas es una emulsión, suspensión, coloide o solución: -

Betún Jarabe Mantequilla: Ketchup Mostaza: Mazamorra Lodo Mayonesa Gelatina Espuma Limonada.

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

11

QUÍMICA INDUSTRIAL

II.

ESTRUCTURA ATÓMICA.

2.1. MODELOS ATÓMICOS. • TEORÍA ATÓMICA DE DALTON (1808). Representa al átomo como una esfera compacta indivisible e indestructible. Dalton planteó postulados acerca del átomo: - Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas indivisibles llamadas átomos. - Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos. - Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación de número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla. Esto confirma la LEY DE LAS PROPORCIONES MULTIPLES. Según esta ley, “si dos elementos pueden combinarse para formar más de un compuesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa fija del otro mantiene una relación de números pequeños”. - Una reacción química implica sólo la separación o reordenamiento de los átomos; nunca supone la creación o destrucción de los mismos. Es una forma de enunciar la LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA, la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia está formada por átomos, que no cambian en una reacción química se concluye que la masa también se debe conservar. Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos. Tampoco tenía idea de cómo era un átomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrógeno son distintos de los átomos de oxígeno.

• MODELO ATÓMICO DE THOMPSON. “El átomo es una esfera de electricidad positiva, en el cual sus electrones estaban incrustados como pasas en un pastel, de tal manera que se neutralizaban”. Modelo del budín de pasas. ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

12

QUÍMICA INDUSTRIAL

Carga total + = carga total –

• MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD. Premio nobel de Química en 1908 por sus investigaciones sobre la estructura del núcleo atómico estableció que el átomo estaba constituido por partículas con carga positiva concentradas en el centro del átomo que llamó núcleo, en torno al cual giraba una nube de electrones.

• MODELO ATÓMICO DE BOHR. Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno (1913). Los físicos ya consideraban que el átomo estaba formado por protones y electrones y que el átomo era una unidad donde los electrones giraban alrededor del núcleo a gran velocidad, describiendo órbitas circulares que semejaban al movimiento de los planetas alrededor del sol. Se suponía que en el átomo de hidrógeno, la atracción electrostática entre el protón positivo “solar” y el electrón negativo “planetario” empujaba al electrón hacia el interior y que esta fuerza se contrarrestaba por la componente de fuerza centrífuga de la aceleración externa. También suponía Bohr que el electrón se mueve en diversas orbitas energéticas del átomo y demostró que la energía del electrón en una órbita está dado por: En = -RH (

1 𝑛2

)

En = Energía del electrón en la órbita n RH = Constante de Rydberg = 2.18 x 10-18 J n = Número cuántico principal n = 1, 2, 3… ―

= convención arbitraria que indica que la energía del electrón libre es -

Eα → 0

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

13

mayor que en la energía del e en el átomo; es decir, si n → α (máxima energía e- libre).

QUÍMICA INDUSTRIAL

En alcanza su valor más negativo cuando n=1 y corresponde al estado energético más estable: estado fundamental o nivel basal y corresponde al estado de energía más bajo del sistema. La estabilidad del electrón disminuye para n = 2,3… A estos estados energéticos se les llama estado excitado o nivel excitado y el electrón en estos estados tiene mayor energía que en el estado fundamental. El radio de cada órbita circular depende de n2. Si n → 2, 3… por consiguiente:

el radio de la órbita electrónica aumenta muy rápidamente

Cuanto mayor es el estado excitado, el electrón se encuentra más lejos del núcleo y éste lo retiene con menos fuerza.

n=1

n=2

n=3

n=4

Cuando un electrón se mueve de un estado menos energético (menor valor de n) a otro de mayor energía (mayor valor de n) absorbe energía (fotones). Cuando el electrón se mueve de un estado de mayor energía (alto valor de n, si n=1: estado basal), entonces emite energía (fotones).

2.2. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO. Átomo es la unidad básica de un elemento que puede intervenir en una combinación química, según la teoría atómica de Dalton.

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

14

QUÍMICA INDUSTRIAL NÚCLEO ATÓMICO, PROTÓN, NEUTRÓN. - Núcleo atómico: Es un núcleo de carga positiva, donde se concentra el 99.9% de la masa total. Se encuentran dos partículas fundamentales: el protón y el neutrón, denominadas NUCLEONES. El núcleo es una zona de alta densidad debido a la gran concentración de la masa total. - Protón. Son partículas de carga eléctrica positiva. El protón tienen como masa la unidad de masa atómica (U.M.A) equivalente a la doceava parte de la masa del carbono doce. 1 U.M.A. = 1.66 x 10-24 g - Neutrón. Es una partícula que no tiene carga y su masa es igual al protón. ELECTRÓN, NIVELES ENERGÉTICOS, NUBE ELECTRÓNICA. - Nube electrónica. Región que envuelve al núcleo donde se encuentran los electrones girando alrededor del núcleo formando una nube. Estas regiones tienen forma, tamaño y orientación, se denominan ORBITALES ATOMICOS. - Electrón. Tiene una masa despreciable con respecto a la del protón y tiene carga negativa. m 𝑒− = Partícula Electrón Protón Neutrón

1 1836

m 𝑝+

Masa(g)

Unidad de carga -28

-1

-24

+1

-24

0

9.10938 x 10 1.67262 x 10 1.67493 x 10

- Niveles energéticos. Dado que se conoce el comportamiento ondulatorio de los e- surgió la pregunta ¿Cómo se podía precisar la posición de un e- que se comporta como onda? NÚMEROS CUÁNTICOS: PRINCIPAL, SECUNDARIO, MAGNÉTICO Y SPIN. - Orbital. Es la región especial que rodea al núcleo, donde existe la más alta probabilidad de encontrar 2 electrones en sentidos contrarios. Es la descripción ondulatoria del tamaño, forma y orientación de una región del espacio disponible para un electrón.

ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

15

QUÍMICA INDUSTRIAL - Números cuánticos. Para describir la distribución de los electrones en los átomos, la mecánica cuántica precisa de 4 números cuánticos. Número cuántico principal (n): n puede tener valores de 1, 2, 3,…,7. Indica el nivel de energía principal que ocupa el electrón. n está relacionado con la distancia promedio del electrón al núcleo en un determinado orbital. Si n es grande → Mayor distancia del e- al núcleo. Orbital electrónico más alejado. Orbital menos estable. K

L

M

N

O

P

A más cerca del núcleo menor energía. A más lejos del núcleo más energía

•

Q

•

N n=1

n=2

n=3

n=4

n=5

n=6