Apuntes DE Quimica 1-1 - Resumen sobre el triangulo de las bermudas PDF

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Resumen sobre el triangulo de las bermudas...

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APUNTES DE QUIMICA ORLANDO VERGEL PORTILLO Ingeniero Químico MSc.

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA 2003

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PRIMERA

LA MATERIA UNIDAD

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1.1 – SISTEMAS DE UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN Existen tres sistemas de unidades reconocidas ampliamente que son: el sistema métrico decimal, el sistema Inglés y el sistema internacional. El sistema métrico decimal también es conocido como el sistema CGS (centímetro, gramo, segundo). Este sistema es utilizado en todo el mundo excepto Gran Bretaña y los Estados Unidos. El sistema Inglés es el sistema legal en los Estados Unidos y Gran Bretaña. El sistema Internacional se creó con el propósito de unificar las unidades en todo el mundo. Estos tres sistemas de unidades toman como referencia las tres dimensiones mecánicas de: masa (M), longitud (L) y tiempo (T). Así: Sistema de Masa longitud Tiempo Unidades M L T Métrico decimal Gramos: g. Centímetro: cm. Segundo: s Inglés Libra: lb Pie: pie Segundo: s Internacional Kilogramo: Kg Metro: m Segundo: s Tabla 1.1 – Dimensiones mecánicas en los tres sistemas de unidades A partir de estas tres dimensiones de referencia podemos deducir las unidades de otras propiedades, por ejemplo cuales serán en los tres sistemas de unidades, las unidades de: área, volumen, velocidad, aceleración, densidad, fuerza y presión. El Area debe tener unidades de longitud al cuadrado, es decir: A = L2. El volumen debe tener unidades de longitud al cubo, es decir: V = L3. La velocidad debe tener unidades de longitud por unidad de tiempo, así: v = L/T ó LT-1 La aceleración tendrá unidades de: L/T2 ó LT-2. La densidad es masa por unidad de volumen, luego sus unidades serán: M/ L3 ó M L-3. La fuerza es masa por aceleración, luego sus unidades serán: M L/T 2 ó M LT-2. La presión es la fuerza por unidad de área, luego sus unidades serán: M L/T2 L2 ó M/LT2 o lo que es lo mismo: ML-1T-2. La siguiente tabla nos ilustra las unidades en los tres sistemas para estas propiedades: Sistema Unidades

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de Area = L2

Vol. = L3

Veloc. = L/T

a = L/T2

4 Métrico decimal Inglés Internacional

cm2 pie2 m2

cm3 pie3 m3

cm/s pie/s m/s

cm/s2 pie/s2 m/s2

D = M/ L3 F = M L/T2 P = M/LT2 Sistema de unidades Métrico decimal gr/ cm3 gr-cm/s2 gr/cm-s2 3 2 Inglés Lbm/ pie Lbm-pie/s Lbm/pie-s2 Internacional Kg/ m3 Kg-m/s2 Kg/m-s2 Tabla 1.2 – Unidades en los tres sistemas de algunas propiedades. 1.1

– FACTORES DE CONVERSIÓN

Los factores de conversión nos sirven para pasar de un sistema de unidades a otro. La siguiente tabla nos muestra algunos factores de conversión. Ejemplo 1. un tanque para almacenamiento de agua tiene forma esférica de 1 metro de radio. Halle su volumen en: m3, pie3, litros y galones. V = (4/3)  R3 = (4/3) (3.1416) (1 m)3 = 4.1888 m3 Para pasar de m3 a pie3 utilizamos el factor de conversión de la siguiente forma: V = 4.1888 m3 (35.3147 pie3) / (1 m3) = 147.9258 pie3 De igual forma para pasar de m3a litros y galones. V = 4.1888 m3 (1000 lts) / (1 m3) = 4188.8 lts V = 4.1888 m3 (264.172 gal) / (1 m3) = 1106.56 gal. Por materia se entiende todo lo que posee masa y ocupa un lugar en el espacio. Como podemos ver, el concepto de materia va asociado al concepto de masa y volumen. La masa es la causante del peso y la inercia de los cuerpos.

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5 El peso es la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre una determinada cantidad de masa y se calcula por la ecuación de Newton, así: P=mg Donde: m es la masa y g es la aceleración de la gravedad. Cantidad Longitud

Masa Fuerza

Presión

Volumen

Densidad

Energía

Conversión 1 m = 100 cm = 3.28084 pie = 39.3701 pulg. 1 Kg = 1000 gr. = 2.20462 Lb 1 N = 1(Kg)(m)/(s)2 = 105 dinas = 0.224809 Lbf 1 atm = 1012928 gr/cm- s2 = 1012928 dinas/cm2 = 1 atmósfera = 760 mm de Hg = 76 cm de Hg = 14.7 Lbf / pulg2 = 101292.8 N/m2

1 m3 = 106 cm3 = 1000 litros = 35.3147 pie3 = 264.172 galones 1 grs/cm3 = 103 Kgs/m3 = 103 gr/l = 62.4278 Lbm/pie3 = 8.3454 Lbm/gal 1 J = 1 (Kg)(m)2/(s)2 = 1 N m2 = 107 dina-cm = 107 erg. = 0.239 cal = 9.86923 cm3-atm = 9.47831 * 10-4 Btu = 0.737562 lbf-pie Tabla 1.3 - Factores de conversión

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6 La aceleración de la gravedad varía dependiendo del punto de la tierra en la cual nos encontremos, pero para efectos de cálculo se toma como constante e igual a 980 cm/s2, 9.8 m/s2 o 32.15 pie/s2. La inercia es la tendencia que posen los cuerpos de mantener el estado de reposo o movimiento en el cual se encuentren; de esta forma a mayor masa mayor inercia. El volumen depende de la masa y del estado en el cual se encuentre la materia. Para una cantidad de masa constante podemos decir que ocupará un mayor volumen como gas que como líquido y lógicamente un mayor volumen como líquido que como sólido. El agua es la única sustancia que presenta un mayor volumen como sólido que como líquido como consecuencia de los arreglos cristalinos que forma en el estado sólido. 1.3 – CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

Elementos Pura o sustancial Compuestos Materia Mezclas homogéneas Impura formando mezclas Mezclas heterogéneas La materia se puede encontrar en dos formas; en una forma pura o sustancial (elementos y compuestos) y en forma impura (mezclas). Las sustancias químicas (elementos y compuestos) forman la parte pura de la materia y las mezclas, ya sean homogéneas o heterogéneas forman la parte impura de la materia. Elementos químicos: Un elemento químico es una porción de materia pura, de propiedades físicas y químicas constantes, formado por agrupación de átomos de la misma especie. Como podemos concluir de la definición anterior, el constituyente fundamental de un elemento es el átomo, entendiéndose por átomo la mínima parte en la que se puede subdividir un elemento sin que pierda sus 6

7 propiedades físicas y químicas. Un elemento químico se representa por un símbolo químico el cual consta de una o dos letras que por lo general son la primera o las dos primera letras de su nombre en español ó latín, por ejemplo: el hidrógeno es un elemento que se representa por el símbolo H y el cobre es otro elemento que se representa por el símbolo Cu ya que su nombre en latín Cuprus. Los elementos químicos y algunas de sus propiedades las podemos encontrar en la tabla periódica. Compuestos químicos: Un compuesto químico es una porción de materia pura, de propiedades físicas y químicas constantes, formada por agrupación de moléculas iguales. Una molécula se forma por la agrupación de dos o mas átomos, iguales o diferentes. Cuando la molécula se forma de átomos iguales, como en el caso del oxígeno, O2, se dice que la molécula es homonuclear y cuando la molécula se forma de átomos diferentes, como en el caso del agua, H 2O, se dice que la molécula es heteronuclear. Todo compuesto se representa mediante una fórmula química. Una fórmula química nos muestra la relación en átomos gramo, expresada en números enteros, como subíndices de los símbolos de los elementos que forman un compuesto. Existen tres tipos de fórmulas a saber: fórmula mínima o empírica, fórmula molecular y fórmula estructural. La fórmula mínima nos muestra la mínima relación en átomos gramo, la fórmula molecular nos muestra la relación real y la fórmula estructural nos muestra los enlaces que forman la molécula. Por ejemplo para el propileno tendremos: Fórmula mínima: CH2 Fórmula molecular: C3H6 Fórmula estructural

H H H H–C=C–C-H H

Mezclas: La parte impura de la materia se encuentra formando mezclas que pueden ser homogéneas o heterogéneas dependiendo del número de fases que formen. Una mezcla homogénea es aquella que se encuentra formando una sola fase y heterogénea cuando se encuentra formando dos o mas fases. Como fase se entiende, la parte de un sistema físicamente diferente a las demás y mecánicamente separable. Cuando mezclamos agua y aceite podemos observar la formación de dos fases como consecuencia de que estas sustancias son inmiscibles, una fase liviana que es el aceite y una fase pesada que

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8 es el agua, luego como la mezcla se encuentra formando dos fases líquidas la mezcla es heterogénea. Cuando mezclamos etanol y agua podemos observar que se forma una sola fase como consecuencia que el etanol es totalmente miscible en agua, luego la mezcla es homogénea. 1.4

– PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS.

Como propiedades de las sustancias se entienden una serie de características, físicas o químicas, que presentan las sustancias y que las identifica. Las propiedades de las sustancias se clasifican en tres grandes grupos que son: 1. Propiedades organolépticas 2. Propiedades físicas y químicas 3. Propiedades intensivas y extensivas. Las propiedades organolépticas son aquellas que son detectadas por los órganos de los sentidos como: el olor, el color y el sabor. Una propiedad física es aquella cuya medición u observación no implica cambios en la estructura de la materia, por ejemplo: el peso, el volumen, la densidad, el índice de refracción, la viscosidad, la tensión superficial, la temperatura de fusión y la temperatura de ebullición. Una propiedad química es aquella cuya medición u observación implica cambios en la estructura de la materia, como por ejemplo: el calor de combustión, la velocidad de reacción, la cantidad de productos formados en una reacción química. Propiedad extensiva es aquella cuyo valor numérico depende de la cantidad de masa que se tenga, por ejemplo: el peso, el volumen, el calor de combustión y la cantidad de productos formados en una reacción química. Propiedad intensiva es aquella cuyo valor numérico no depende de la cantidad de masa que se tenga. Por ejemplo: la densidad, el índice de refracción, la viscosidad, la tensión superficial, la temperatura de ebullición y la temperatura de fusión. Como regla general cuando se relacionan dos propiedades extensivas se logra una propiedad intensiva. MASA La masa es una medida de la cantidad de materia y sus unidades son: en el sistema métrico decimal el gramo-masa (grm), en el sistema inglés la Libra.masa (Lbm) y en el sistema Internacional el 8

9 kilogramo-masa (Kgm). Los factores de conversión para estas tres unidades son: 1 Kgm = 1000 grm 1 Lbm = 453.56 grm PESO El peso es la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre una determinada cantidad de masa. Para un gramo masa tendremos un peso de: P = (1 gr) ( 980 cm/s2) = 980 gr-cm/s2 = 980 dinas 2 Ya que: 1 dina = 1 grm-cm/s y para un Kilogramo masa tendremos un peso de: P = (1 Kgm)( 9.8 m/s2) = 9.8 kgm-cm/s2 = 9.8 Newton 2 Ya que 1 Newton = 1 Kgm-cm/s Otras unidades de peso son: El gramo fuerza, (grf) es el peso ejercido por un gramo masa y son numéricamente iguales; es decir que un grm tendrá un peso de 1grf. Para que esto pueda ser se necesita utilizar un factor de proporcionalidad gc = 980 grm.cm/grf.s2, así: P = m g/gc 1 grf = (1 grm)(980 cm/s2)/gc El kilogramo fuerza (Kgf) es el peso ejercido por un Kgm y son numéricamente iguales; es decir que un Kgm ejercerá un peso de un Kgf. Para que esto pueda ser se necesita de un factor de proporcionalidad gc = 9.8 kgm-cm/Kgf-s2 así: 1 Kgf = (1 Kgm)(9. 8 kgm-cm/s2)/gc La Libra fuerza (Lbf) es el peso ejercido por una Lbm y son numéricamente iguales; es decir que una Lbm ejercerá un peso de una Lbf. Para que esto pueda ser se necesita utilizar un factor de conversión gc = 32.15 Lbm-pie/ Lbf-s2 así: 1 Lbf = (1 Lbm)(32.15 pie/s2)/gc Los factores de conversión son: 1 N = 105 dina 9

10 = 0.2248 Lbf VOLUMEN El volumen es una propiedad física extensiva que depende de la cantidad de masa y del estado de esta. Las unidades de volumen se obtienen de elevar al cubo una unidad de longitud. Para los tres sistemas de unidades tendremos:   

Sistema métrico: cm3 Sistema Inglés: pie3 Sistema internacional: m3

Los factores de conversión son: 1 m3 = 106 cm3 = 1000 litros = 35.3147 pie3 = 264.172 galones Como: 1 litro = 1000 mlts, entonces; 1 cm3 = 1 mlt DENSIDAD La densidad es una propiedad física intensiva que se obtiene por la relación de dos propiedades extensivas, como lo son la masa y el volumen, así: D=m/V Donde m es la masa y V es el volumen. La densidad puede expresarse en unidades de: grs/cm 3 (sistema Métrico), Lbs/pie 3 (sistema inglés) y Kgs/m3 (sistema Internacional) y los factores de conversión son: 1 grs/cm3 = 103 Kgs/m3 = 103 gr/l = 62.4278 Lbm/pie3 = 8.3454 Lbm/gal La densidad es una función inversa de la temperatura ya que al incrementarse esta aumenta el volumen, disminuyendo la densidad de la sustancia. Los sólidos presentan las mayores densidades mientras que los gases presentan las mínimas densidades. Para la determinación experimental de la densidad de una sustancia es necesario obtener su peso y medir su volumen. Si la sustancia es un sólido de forma regular, podemos hallar su volumen utilizando fórmulas geométricas y cuando el sólido sea irregular aplicamos el principio de Arquímedes, midiendo el volumen de agua desplazada. 10

11 Para medir el volumen de líquidos se utilizan los picnómetros, que son recipientes de vidrio de volumen conocido. Ejemplo 2. Cual es la densidad de una bola de acero que tiene un diámetro de 0.75 cm y pesa 1.765 grs. r3 = 0.2208 cm3 D = 1.756 gr /0.2208 cm3 = 7.99 gr/cm3

V = (4/3)

Ejemplo 3. Cual es la densidad de una muestra de bronce que pesa 10.2573 grs y que desaloja 1.2211 cm3. D = 10.2573 gr / 1.2211 cm3 = 8.4 gr/cm3 Ejemplo 4. Un recipiente de vidrio pesa 10.2073 gramos estando seco limpio y vacío, 10.3190 grs cuando se llena de agua a 4 oC y 10.3221 grs cuando se llena con una solución desconocida. Cual es la densidad de la solución. Peso de la solución = 10.3221 – 10.2073 = 0.1148 grs. Para calcular el volumen del recipiente utilizamos la densidad del agua a 4 oC que tiene un valor de 1.00 gr/cm3 o 62.4278 Lbm/pie 3, así: Peso del agua en el recipiente = 10.3190 – 10.2073 = 0.1117 grs Volumen del recipiente = Peso del agua / densidad del agua = 0.1117 grs / 1.00 gr/cm3 = 0.1117 cm3 Densidad de la solución = 0.1148 gr / 0.1117 cm3 = 1.027 gr/cm3 Otras dos propiedades relacionadas con la densidad son: El volumen específico (v) y el peso específico (p.e.). El volumen específico es el inverso de la densidad, es decir el volumen por unidad de masa. v=V/m v=1/D El peso específico es la relación entre la densidad de la sustancia y la densidad del agua a 4 oC p.e. = Ds / Dagua a 4 grados C. Ejemplo 5. Una sustancia tiene una densidad de 140 Lbm/pie 3 calcule su volumen específico y su peso específico. 11

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Volumen específico = 1/D = 1/ ( 140 Lbm/pie3) = 0.0071429 pie3/Lbm Peso específico = 140 Lbm/pie3 / 62.4278 Lbm/pie3 = 2.2426 Ejemplo 6. Si el peso específico de una sustancia es 7 cual es su densidad en gr/cm3 y su volumen específico en pie 3/Lbm.

(1.00 gr/cm3)

Ds = (p.e.) (Dagua a 4 grados C.) = 7 (1.00 gr/cm3 ) = 7 gr/cm3 = ( 7 gr/cm3 )(62.4278 Lbm/pie3)/ =436.99 Lbm/pie3

Volumen específico = 1 / 7 gr/cm3 = 0.143 cm3 / grs = 1 / 436.99 Lbm/pie3 = 0.002288 pie3/Lbm PUNTOS DE FUSION, EBULLICIÓN Y SUBLIMACION Los tres estados fundamentales de la materia son tres: el sólido, líquido y gaseoso. El cambio de fase sólida a líquida se conoce como fusión y la temperatura a la cual ocurre se denomina punto de fusión. SOLIDO Solidificación o congelamiento

Sublimación

LIQUIDO

Licu

GAS

SOLIDO Fusión

LIQUIDO

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Sublimación Invertida

Ebul

GAS

13 Las sustancias puras funden a una temperatura constante mientras que las sustancias impuras lo hacen en un rango de temperaturas. Cuando el punto de fusión es a 1 atmósfera de presión se denomina punto de fusión normal. El punto de ebullición o temperatura de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido se hace igual a la presión atmosférica y el líquido pasa al estado gaseoso. En un líquido puro, la temperatura se mantiene constante durante el proceso de ebullición mientras que el aumento progresivo de la temperatura durante la ebullición es prueba de que la sustancia es impura. Se denomina punto de ebullición normal cuando la presión es 1 atmósfera. El punto de sublimación es la temperatura a la cual un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. 1.5

– MEDIDA DE TEMPERATURAS

La temperatura es una propiedad de la materia que determina el flujo de calor. Para que exista flujo de calor entre dos cuerpos es necesario que se presente una diferencia de temperatura entre ellos. El equilibrio térmico entre dos cuerpos se presenta cuando las temperaturas se igualan y cesa el flujo de calor entre ellos. Las dos escalas de temperatura mas comunes son las escalas: Celsius y Fahrenheit. La escala Celsius (oC) le asigna a la temperatura normal de fusión del agua un valor de 0 oC y a la temperatura normal de ebullición del agua un valor de 100 oC. La escala Fahrenheit (oF) le asigna a la temperatura normal de fusión del agua un valor de 32 oF y a la temperatura normal de ebullición del agua un valor de 212 oF. Escala Celsius 100 oC Temp. Normal de ebullición del agua

100 oC

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Escala Fahrenheit 212 oF

180 oF

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0 oC

Temp. Normal de fusión del agua Figura 1.1 – Escalas de temperatura.

32 oF

Mientras la diferencia entre la temperatura normal de ebullición y la normal de fusión del agua es de 100 grados en la escala Celsius, en la escala Farhrenheit es de 180 grados, lo cual nos sirve para formular la siguiente relación entre las dos escalas: ( oF / oC ) = 180/100 = 1.8 o

F = 1.8 oC

Esta relación sería cierta si las dos escalas partieran de cero, pero como la escala Fahrenheit parte de 32 debemos sumar esta diferencia a la relación anterior, así: o

F = 1.8 oC + 32

Escalas Absolutas: Kelvin y Rankine: Los gases ideales en los procesos a volumen constante, presentan un incremento o descenso uniforme de presión con el incremento o descenso de la temperatura respectivamente. Al graficar Temperatura en oC Versus la presión podemos observar que las rectas predicen una presión de cero cuando la temperatura sea de – 273.15 oC, es decir que a esta temperatura las moléculas dejarían de moverse y se obtendría un estado cristalino perfecto, por lo cual esta temperatura se denomina el cero absoluto, que en la escala Fahrenheit tiene un valor de – 459.7 o F. Por esta razón las escalas absolutas son también llamadas escalas de gas ideal. De esta forma los grados Kelvin se obtienen sumándole 273 a los grados Celsius así: o

K =

o

C + 273

Y los grados Rankine se obtienen sumándole 460 a los grados Fahrenheit así: o

R = oF + 460

Ejemplo 7. Convertir 420 oR en oC. o

F = oR - 460 = 420 - 460 = - 40

o

C = ( oF - 32 )/ 1.8 = - 40

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15 Ejemplo 8. Convertir 25 oC en oR o

F = 1.8 oC + 32 = 1.8 ( 25 ) + 32 = 77 o

R = oF + 460 = 77 + 460 = 537

1.6

– PRESION

La presión es la medida de la fuerza por unidad de área: P = F / A. La presión Atmosférica es la presión que ejerce la columna de aire que soportamos sobre nuestras cabezas, de 1 cm 2 de área. La presión atmosférica normal es la presión atmosférica a nivel del mar y fue medida por Torricelli con la ayuda de un barómetro. El barómetro es un tubo de 85cm de largo y sellado en un extremo el cual se llena con mercurio y se invierte en un recipiente abierto a la atmósfera que contiene mercurio.

h: Altura de la columna de Hg.

Hg. El mercurio desciende y marca determinada altura. La presión atmosférica será la que está en equilibrio con la presión de la columna de mercurio. A nivel del mar la altura de la columna de mercurio mide 7...