Clase 1 fundamentos de quimica - estructura atómica PDF

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALPERÍODO 2020 AFUNDAMENTOS DE QUÍMICAClase No: 1Tema de la clase: CLASIFICACIÓN DE LA MATERIACLASIFICACIÓN DE LA MATERIA¿Qué es la Química?La Química es una ciencia natural que se encarga del estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le ...

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL PERÍODO 2020 A

Clase No: 1

FUNDAMENTOS DE QUÍMICA Tema de la clase: CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

¿Qué es la Química? La Qumica es una ciencia natural que se encarga del estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya que los conocimientos bsicos de Qumica son indispensables para los estudiantes de Biologa, Fsica, Geologa, Ecologa y muchas otras disciplinas. La materia, es el componente fundamental de la naturaleza íntima de los cuerpos, se caracteriza por poseer masa y ocupar un lugar en el espacio. Todos los días observamos cambios de la materia sin pensar en su naturaleza química. El propósito de este curso es hacer que usted adquiera pensamiento químico, y vea el mundo macroscópico (lo que podemos ver y tocar directamente) y extrapole las ideas de lo que sucede a nivel macroscópico al nivel microscópico o de partículas (que no podemos experimentar sin ayudas adicionales, como la tecnología o la imaginación).

Figura 1. Vista molecular simplificada de la formación de la herrumbre (Fe2O3) a partir de átomos de hierro (Fe) y moléculas de oxígeno (O2). Izq. Imagen macroscópica del 𝐹𝑒2𝑂3 . Der. Modelo de la formación de 𝐹𝑒2𝑂3 a escala microscópica.

Los profesionales especializados en ramas de la Química distinguen varios subtipos de materia con base en su composición y propiedades.

Clasificación de la materia La clasificación de la materia incluye sustancias, mezclas, elementos y compuestos, además de los átomos y moléculas.

Figura 2. Clasificación de la materia

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Sustancias puras Las sustancias puras son aquellas que son 100% esa sustancia. Elemento Un elemento es una sustancia que no se puede separar en otras más sencillas por medios químicos. Hasta la fecha se han identificado 118 elementos. La mayoría de éstos se encuentran de manera natural en la Tierra. Los otros se han obtenido por medios científicos mediante procesos nucleares. Por conveniencia, los profesionales en Química usan símbolos de una o dos letras para representar los elementos. Cuando son dos letras la primera siempre es mayúscula. Por ejemplo, “Co” es el símbolo del elemento cobalto. Los símbolos de algunos elementos se derivan de su nombre en latín, por ejemplo, “Au” de aurum (oro), “Fe” de ferrum (hierro) y “Na” de natrium (sodio), en cambio, en muchos otros casos guardan correspondencia con su nombre en inglés. Todos los elementos se encuentran listados en la Tabla Periódica Moderna. Los elementos están formados por un solo tipo de átomo y no pueden descomponerse en sustancias más simples.

Figura 3. Izq. Elementos químicos varios. Der. Litio en su forma natural.

Los átomos de una gran cantidad de elementos pueden interactuar entre sí para formar nuevas sustancias puras a las que se las conoce como compuestos. Por ejemplo, la combustión del hidrógeno gaseoso con el oxígeno gaseoso forma agua, cuyas propiedades difieren claramente de las correspondientes a los elementos que la forman. El agua consiste en dos partes de hidrógeno por una de oxígeno. Esta composición no se modifica, sin importar de donde provenga el agua. Compuesto Un compuesto, es una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones fijas. Los compuestos sólo se pueden separar en sus componentes puros por medios químicos, como la electrólisis, calcinación, etc.

Figura 4. Molécula de agua, formada por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

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Mezclas Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias puras. Algunos ejemplos familiares son el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas tienen composición variable. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Mezclas homogéneas Cuando se disuelve una cucharada de sal en agua, se obtiene una mezcla homogénea, en la que la composición de la mezcla es uniforme y generalmente no se pueden distinguir sus componentes, es decir forman una sola fase. Mezclas heterogéneas Al mezclar arena con virutas de hierro, se observa que éstas se mantienen separadas, en

este caso se habla de una mezcla heterogénea porque su composición no es uniforme, a simple vista se pueden distinguir sus fases y/o sus componentes.

Figura 5. Izq. Una taza de café, bebida que ha sido preparada con agua, azúcar y café soluble, claramente se observa una sola fase (mezcla homogénea). Der. Un vaso de agua con aceite, mezcla preparada en la cual claramente se distingue las fases (mezcla heterogénea).

Cualquier mezcla, sea homogénea o heterogénea, se puede formar y luego separar por medios físicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales componentes. Así pues, la sal se puede recuperar de una disolución acuosa al calentarla y evaporar por completo el agua. Para una mezcla formada por virutas de hierro y arena la separación de la mezcla es posible al usar un imán para separar las virutas de hierro, ya que el imán no atrae a la arena. Estados de la materia En primera instancia todas las sustancias se pueden presentar en tres estados: sólido, líquido y gas. Los gases difieren de los líquidos y sólidos en la distancia que media entre las moléculas. En un sólido, las moléculas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa libertad de movimiento. Las moléculas de un líquido están cerca unas de otras, sin que se mantengan en una posición rígida, por lo que pueden moverse. En un gas, las moléculas están separadas entre sí por distancias grandes en comparación con el tamaño de las moléculas mismas.

Figura 6. Los 3 estados de en los cuales, a priori, se puede presentar la materia.

Procesos físicos en la materia Ocurren sin que se produzcan alteración en la composición química de la materia. Son posibles las conversiones entre los tres estados de la materia sin que cambie la composición de la sustancia. En estos cambios físicos no se forman nuevas sustancias y los que se encuentra al final tiene la misma composición de la sustancia original. Una sustancia puede cambiar de estado físico cuando se efectúan cambios de presión y temperatura.

Figura 7. Procesos físicos asociados a cambios de fase. No hay variación en la composición.

Procesos químicos en la materia Son los que alteran la composición química de la materia. Estos procesos permanecen aunque haya cesado la causa que los produjo, son irreversibles. En los cambios químicos los nuevos productos son distintos a los reactivos iniciales. Por ejemplo, para formar agua, se requiere quemar hidrógeno en presencia de oxígeno, lo cual describe un cambio químico, puesto que el producto final (agua), no tiene nada que ver en cuanto a sus propiedades y características con los elementos iniciales (hidrógeno y oxígeno). Todos los procesos químicos, involucran reacciones, es decir cambio en la composición química de la materia:

Ejemplos de procesos físicos y químicos...