Escobar Quimica - Buen libro PDF

Preview

Summary

Buen libro...

Description

QUIMICA GENERAL

Unidades

4

CAPITULO 1

UNIDADES 1. GENERALIDADES: En Química, las propiedades se describen como cantidades que se pueden medir y expresar como productos de números y unidades. Antes de analizar las diferentes magnitudes y unidades utilizadas en Química, es necesario conocer y diferenciar dos términos que son utilizados muy frecuentemente en esta asignatura y que vale la pena hacer una aclaración. Materia se define como que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. MASA es la cantidad de materia de una muestra en particular de ella. La masa de un cuerpo es constante y no cambia, no importa el sitio donde se mida. El PESO de un cuerpo sin embargo, es la fuerza gravitacional de atracción entre la masa del cuerpo y la masa del planeta en el cual éste es pesado. Así, el peso de un cuerpo varía, dependiendo de donde es pesado, mientras que la masa no. Desafortunadamente los términos MASA y PESO son utilizados en forma intercambiada; sin embargo, usted debe entender su diferencia. 2. MAGNITUDES FUNDAMENTALES: Las magnitudes fundamentales más importantes utilizadas en Química son: longitud, masa, tiempo, cantidad de sustancia, temperatura y corriente eléctrica. Cada una de estas magnitudes tiene su propia unidad irreductible. MAGNITUDES DERIVADAS: Las magnitudes derivadas son magnitudes físicas obtenidas de combinaciones de las fundamentales. Por ejemplo, el volumen es una magnitud derivada. 3. UNIDADES: a) SISTEMAS DE UNIDADES: En Química, normalmente, se usan dos sistemas de unidades. El CGS (centímetro-gramosegundo), cuya unidad básica de longitud es el centímetro (cm), de masa el gramo (g) y la del tiempo el segundo (s); y el SI (Sistema Internacional de Unidades), en donde la unidad básica de longitud es el metro (m), la masa el kilogramo (kg) y la del tiempo es el segundo (s). Ambos sistemas definen unidades básicas individuales para cada magnitud fundamental. b) PREFIJOS DE LAS UNIDADES: En ambos sistemas se usan prefijos para designar múltiplos decimales o fracciones decimales de las unidades básicas. Los prefijos comunes son: Ing. Luis Escobar C.

QUIMICA GENERAL

Unidades

MULTIPLO 10 (1x101) 100 (1x102) 1000 (1x103) 1000000 (1x106) 1000000000 (1x109)

PREFIJO Deca Hecto Kilo Mega Giga

ABREVIATURA Da h k M G

FRACCION 0,1 (1x10–1) 0,01 (1x10–2) 0,001 (1x10–3) 0,000001 (1x10–6) 0,000000001 (1x10–9)

PREFIJO Deci Centi Mili Micro Nano

ABREVIATURA d c m  N

5

c) UNIDADES DERIVADAS: Las magnitudes físicas derivadas se miden en unidades derivadas. Aunque las unidades que se usan para medir magnitudes físicas derivadas provienen realmente de las unidades básicas, a menudo se les dan nombres especiales para mayor conveniencia. Por ejemplo, el VOLUMEN es una magnitud derivada, a la que se le asigna una unidad especial el LITRO, en el SI, el litro es igual a 1000 centímetros cúbicos (cm 3). La FUERZA y la ENERGIA son también magnitudes derivadas, la unidad derivada de la energía es el ERGIO (CGS) y el JOULE (SI). A continuación presentamos algunas unidades derivadas de fuerza y energía en los dos sistemas y la relación que hay entre ellas: UNIDAD

Nombre de la unidad SI - Abreviatura - Unidades Básicas Nombre de la unidad CGS - Unidades Básicas Factores de conversión

FUERZA

ENERGIA

Newton N kg.m.s–2 Dina g.cm.s–2 1N = 1x105Dinas 1Dina = 1x10–5N

Joule J kg.m2.s–2 Ergio g.cm2.s–2 1J = 1x107 Ergios 1Ergio = 1x10–7J

d) CONVERSION DE UNIDADES: Hay otras relaciones útiles entre CGS, SI y otras unidades que es importante conocer; algunas se pueden deducir por los prefijos y otras hay que aprenderlas de memoria o buscarlas en los libros, en la siguiente tabla se tienen estos factores de conversión:

Ing. Luis Escobar C.

QUIMICA GENERAL

Unidades

UNIDAD LONGUITUD MASA VOLUMEN PRESION TEMPERATURA

6

FACTOR 1 m = 100 cm, 1 Angstrom (Å) =1x10–8 cm 1 kg = 1000 g 1 m3 = 1000 litros 1 atm = 760 torr = 101325 Pa °K = °C + 273; °C = 5/9(°F – 32); °R = °F + 460

La DENSIDAD de una sustancia se define como la masa de una sustancia que ocupa la unidad de volumen: Densidad (d) 

Masa (m) Volumen (V)

En el Sistema Métrico Decimal, la densidad de los sólidos y líquidos se miden en g/cm 3 o g/ml; y la de los gases en g/litro. En el sistema SI, la densidad se expresa como kg/m3. Para la mayoría de las sustancias la densidad se mide a 20°C, la cual se considera como la temperatura ambiente. Para el agua sin embargo se expresa a 4°C, por ser la temperatura a la cual el agua tiene una densidad exacta de 1,00 g/ml. La GRAVEDAD ESPECIFICA (peso específico) de una sustancia de la densidad relativa de una sustancia comparada con una estándar. En general para los líquidos se toma el agua a 4°C como el estándar y por lo tanto la gravedad específica expresa la densidad de una sustancia comparada con la del agua. Lo anterior se expresa así: Gravedad Específica ( Peso Específico) 

Densidad de la sus tan cia Densidad del agua a 4 C

El peso específico también se puede calcular utilizando la siguiente ecuación: Peso Específico 

Masa ( Peso) de un sólido o líquido Masa ( Peso) de un volumen de agua a 4 C

La gravedad específica no tiene unidades, es simplemente la relación de dos densidades. Para determinar la densidad de una sustancia a partir de la gravedad específica basta multiplicar la gravedad específica por la densidad del agua como sustancia de referencia. Puesto que el agua tiene una densidad de 1,00 g/ml, la densidad y la gravedad específica son numéricamente iguales si se han utilizado las unidades g/ml. e) NOTACION CIENTIFICA: La Notación Científica es un método para expresar números grandes o pequeños como factores de las potencias de 10. Ing. Luis Escobar C.

QUIMICA GENERAL

Unidades

7

Se pueden usar exponentes de 10 para hacer que la expresión de las mediciones científicas sea más compacta, más fácil de entender y más sencilla de manejar. Para expresar números en notación científica, se utiliza la siguiente expresión: a x 10 b Donde, a es un número decimal entre 1 y 10 (sin ser igual a 10) y b es un entero positivo, negativo o cero. Por ejemplo: 0,0000000013 m  1,3x10 9 m 602200000000000000000000

átomos átomos  6,022 x1023 at - g at - g

f) CIFRAS SIGNIFICATIVAS: La exactitud de una medición depende de la cantidad del instrumento de medición y del cuidado que se tenga al medir. Cuando se da una medida, se expresa con el número de CIFRAS SIGNIFICATIVAS que mejor represente su propia exactitud y la del instrumento empleado. La exactitud en los cálculos químicos difiere de la exactitud matemática. g) APROXIMACION: Las reglas para realizar aproximaciones son sencillas, si el dígito que sigue al último que se va a expresar es: 4 o menos, éste se descarta 5 o más, se aumenta en uno el último dígito PROBLEMAS RESUELTOS: 1. Una barra uniforme de acero tiene una longitud de 16 pulgadas y pesa 6,25 libras. Determinar el peso de la barra en gramos por centímetro de longitud. Longuitud  16 pu lg

Peso  6,25 lb 

2,54 cm  40,6 cm 1 pu lg

454 g  2837,5 g 1 lb

Ing. Luis Escobar C.

QUIMICA GENERAL

Peso Longitud



Unidades

2837,5 g 40,6 cm

 69,89

8

g cm

2. El peso específico de la fundición de Hierro es 7,20. Calcular su densidad: a) en gramos por cm3, y b) en libras por pie3. Aplicamos la siguiente ecuación para realizar el cálculo correspondiente: Peso Específico 

Densidad de la sus tan cia Densidad del agua a 4 C

Como la densidad del agua a 4°C es 1 a) d(Fe)  (7,20)(1

g , entonces: ml

g g )  7,20 3 cm 3 cm 3

b) d(Fe)  7,20

3

g 1 lb (30,48) cm lb    449,08 3 3 pie3 cm 454 g 1 pie

3. El ácido de baterías tiene un peso específico de 1,285 y contiene 38% en peso de H2SO4. Cuántos gramos de H2SO4 contendrá un litro de ácido de batería. Determinamos la densidad de la solución, en base al peso específico: pe  1,285  d(ácido)  1,285

g ml

Establecemos las siguientes operaciones: 1,285 g ácido bateria  1000 ml solución  1285 g ácido bateria 1 ml solución 1285 g ácido bateria 

38 g H 2SO 4 puro 100 g ácido bateria

 488,30 g H 2SO 4 puro

4. Convertir 40 °C y –5 °C a la escala Fahrenheit. 5 C  ( F  32)  9

9  F  C  32 5 Ing. Luis Escobar C.

QUIMICA GENERAL

a) F  b)  F 

9 5 9 5

Unidades

9

(40)  32  104  (5)  32  23 

5. Convertir 220 °K y 498 °K a la escala Centígrada. K  C  273  C  K  273

a)  C  220  273  53  b) C  498  273  255  6. Expresar –22 °F en grados Centígrados y en grados Kelvin. 5 5 C  ( F  32)   C  (22)  32  30  9 9 K  C  273  K  30  273  243 

PROBLEMAS PROPUESTOS: 1. Una lámina de oro (peso específico, 19,3) que pesa 1,93 mg puede ser laminada nuevamente hasta una película transparente que cubre un área de 14,5 cm 2. A) Cuál es el volumen de 1,93 mg de oro, b) Cuál es el espesor de la película en Angstroms. Resp. a) 1x10–4 cm3, b) 690 Å 2. Un hombre medio necesita unos 2,00 mg de vitamina B2 por día. Cuántas libras de queso necesitaría comer un hombre por día si ésta fuera su única fuente de suministro de vitamina B2 y si este queso tuviese 5,5x10–6 gramos de vitamina por cada gramo. Resp. 0,80 lb/día 3. Un catalizador poroso para reacciones químicas tiene un área superficial interna de 800 m2/cm3 de material. El 50% del volumen total son poros (orificios), mientras que el otro 50% del volumen está formado por la sustancia sólida. Suponer que todos los poros son tubos cilíndricos con un diámetro d y una longitud l. Determinar el diámetro de cada poro. Resp. 25Å 4. Un recipiente de vidrio pesa vacío 20,2376 g y 20,3102 g lleno de agua a 4°C hasta una cierta marca. El mismo recipiente se seca y se llena hasta la misma marca con una solución a 4°C. Ahora el peso es de 20,3300 g. Cuál es la densidad de la solución. Resp. 1,273 g/ml

Ing. Luis Escobar C.

QUIMICA GENERAL

Unidades

10

5. El contenido medio de Bromo en el agua del mar es de 65 partes por millón (ppm). Suponiendo una recuperación del 100%. Cuántos galones de agua marina tienen que ser tratados para producir una libra de Bromo. Resp. 1,845x103 galones 6. Una muestra de 20 cm3 de una solución de Acido Clorhídrico concentrado de densidad 1,18 g/ml contiene 8,36 g de HCl puro. a) Determine la masa de HCl puro por cada centímetro cúbico de solución. b) Determine el porcentaje en peso (masa) de HCl en la solución ácida. Resp. a) 0,418 g/cm3; b) 35,4% 7. Las Feromonas son compuestos secretados por las hembras de muchas especies de insectos para atraer a los machos. Con 1,0x10–8 gramos de una feromona es suficiente para llegar a todos los insectos macho blanco dentro de un radio de 0,50 millas. Determinar la densidad de la feromona (en gramos por litro) en un espacio cilíndrico de aire con un radio de 0,50 millas y una altura de 40 pies. Resp. 4,03x10–19 g/L 8. Para conservar el agua, los químicos aplican una delgada película de un cierto material inerte sobre la superficie del agua para disminuir su velocidad de evaporación. Esta técnica fue introducida hace tres siglos por Benjamín Franklin, quien encontró que 0,10 ml de aceite podrían extenderse cubriendo una superficie de 40 m2 de agua. Suponiendo que el aceite forma una monocapa, es decir, una capa cuyo espesor es de una molécula, determinar la longitud en nanómetros de cada molécula de aceite. Resp. 2,5 Nm 9. Un trozo de galena (Sulfuro de Plomo impuro) pesa 5,50 g en el aire y 4,76 g en el agua. Cuál es el peso específico de la galena. Resp. 7,4 10. A una aleación se la ha fabricado en forma de un disco plano de 31,5 mm de diámetro y 4,5 mm de espesor con un orificio de 7,5 mm de diámetro en el centro. El disco pesa 20,2 g. Cuál es la densidad de la aleación en unidades SI. Resp. 6100 kg/m3 11. Cuántos kilogramos de solución de Hidróxido de Sodio al 85% de concentración, se necesita para preparar 5 litros de una solución de Hidróxido de Sodio al 20%. La densidad de la solución al 20% es 1,22 g/cm3. Resp. 1,435 kg 12. Convierta las siguientes temperaturas: –195,5°C a °F; –430 °F a °C; 1705 °C a °F. Resp. –319 °F; –256,7 °C; 3100 °F 13. Expresar: 8 ºK, 273 ºK en grados Fahrenheit. Resp. –445 °F; 32 °F 14. A qué temperatura la lectura numérica en un termómetro Celsius es igual a la marcada en un termómetro Fahrenheit. Resp. –40° 15. Construir una escala de temperatura sobre la cual los puntos o temperaturas de congelación y ebullición del agua sean 100° y 400°, respectivamente, y el intervalo entre los grados es un múltiplo del intervalo entre los grados en la escala Centígrada. Cuál será el cero absoluto en esta escala y cuál será el punto de fusión de azufre, que es 444,6°C. Resp. –719°; 1433,8° Ing. Luis Escobar C.

QUIMICA GENERAL

Unidades

11

16. La temperatura de sublimación del hielo seco es –109°F. Este valor es mayor o menor que la temperatura del etano en ebullición que es de –88°C. Resp. Mayor 17. Un proceso de estañado electrolítico produce un recubrimiento de un espesor de 30 millonésimas de pulgada. Cuántos m2 podrán recubrirse con un kilogramo de estaño de densidad 7300 kg/m3. Resp. 180 m2 18. El radio atómico del Magnesio (Mg) es 1,36 Å y su masa atómica es 24,312 g. Cuál es la densidad del átomo en kg/m3. Resp. 3,8x103 kg/m3 19. Una solución diluida de Acido Nítrico se prepara al diluir 64 ml de solución de Acido Nítrico (densidad 1,41 g/ml y que contiene 70% en peso de ácido nítrico puro) a 1 litro. Cuántos gramos de HNO3 puro están contenidos en 50 ml de la solución diluida. Resp. 3,16 gramos 20. Cuál es la densidad en unidades SI de una esfera de acero que tiene un diámetro de 7,50 mm y una masa de 1,765 g. Resp. 7990 kg/m3

Ing. Luis Escobar C.

FUNDAMENTOS DE QUIMICA GENERAL

Estructura de la Materia

12

CAPITULO 2

ESTRUCTURA DE LA MATERIA 1. GENERALIDADES: Todos los cuerpos que existen de la naturaleza están constituidos por materia. 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. CUERPO, es una porción limitada de materia que ocupa un lugar en el espacio. La materia se clasifica en homogénea y heterogénea: HOMOGENEA: La que presenta uniformidad en su composición, se considera materia homogénea las sustancias y las soluciones, las sustancias pueden ser: elementos y compuestos. HETEROGENEA: La que no presenta uniformidad en su composición por ejemplo: los alimentos, las rocas, el suelo, la madera, etc. En fin todos estos materiales son mezcla de las sustancias. A continuación se presenta una forma de clasificar a la materia:

Ing. Luis Escobar C.

FUNDAMENTOS DE QUIMICA GENERAL

Estructura de la Materia

13

Presenta algunas propiedades, definiéndose como PROPIEDAD a la característica por medio de la cual una sustancia puede ser identificada y descrita. Pueden ser generales y específicas: a) GENERALES: Son las que presentan todas las sustancias y por lo tanto no nos sirve para distinguir una sustancia de otra, son: volumen, peso, impenetrabilidad, inercia, etc. b) ESPECIFICAS: Son las que presenta una determinada sustancia, y nos permite distinguir una sustancia de otra y son: color, olor, sabor, densidad, dureza, etc. Estas propiedades pueden ser físicas o químicas. FISICAS: Se pueden observar por medio de nuestros sentidos y se relacionan con los cambios físicos que sufre la materia, estas son: color, olor, sabor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad. QUIMICAS: Son las que se relacionan con los cambios químicos que sufren las sustancias. Por ejemplo la combustión del alcohol, de la gasolina; la oxidación del hierro, en general de todos los metales. La materia puede existir en tres estados físicos: sólido, líquido, gaseoso. Puede sufrir cambios o transformaciones de dos clases: físicos y químicos. CAMBIOS FISICOS: Ocurren sin que se produzcan alteración en la composición química de la materia, sino únicamente de sus propiedades. En estos cambios físicos no se forman nuevas sustancias y los que se encuentra al final tiene la misma composición de la sustancia original. Estos procesos cesan cuando desaparecen la causa que los produjo y son reversibles, es decir, puede verificarse fácilmente el proceso inverso. Una sustancia puede cambiar de estado físico cuando se efectúan cambios de presión y temperatura. En el siguiente diagrama podemos observar los cambios físicos que sufre la materia:

Ing. Luis Escobar C.

FUNDAMENTOS DE QUIMICA GENERAL

Estructura de la Materia

14

CAMBIOS QUIMICOS: 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 de origen. 4 Fe(s) + 3 O2(g) 2 Fe2O3(s) C6H12O6(s) + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(g) + Energía En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos de cambios físicos y químicos: CAMBIO Ebullición del agua Congelación del agua Electrólisis del agua Reacción del cloro con sodio Fusión del hierro Oxidación del hierro Corte de madera Combustión de la madera Masticación de un alimento Digestión del alimento

TIPO Físico Físico Químico Químico Físico Químico Físico Químico Físico Químico

Otro componente importante de los cuerpos es la ENERGIA, que se define como la capacidad para realizar un trabajo, o cambios en el estado o propiedades de la materia. Materia y Energía son dos cosas con la misma esencia, comparte la propiedad de poseer masa, según la teoría de Einstein. Están relacionadas por medio de la ecuación: E

m c2

En donde: E = energía m = masa c = Velocidad de la luz (300000 km/s) Ing. Luis Escobar C.

FUNDAMENTOS DE QUIMICA GENERAL

Estructura de la Materia

15

Esta ecuación permite establecer la ley que dice: “LA MATERIA Y LA ENERGIA NO SE CREAN NI SE DESTRUYEN, SOLO SE TRANSFORMAN”. En los siguientes ejemplos, podemos observar la relación entre materia y energía: 1) Cuando 1000 gramos de Uranio 235 sufren fisión nuclear (bomba atómica), se libera una energía equivalente a 8,23x1020 ergios. Calcular la masa de los productos materiales de la reacción. Utilizando la ecuación: E

m c2 ; despejando la masa, tenemos: m

E c2

Reemplazando datos, tenemos: m

8,23x10 20 g cm 2 / s2 (3x1010 cm / s)2

m

8,23x10 20 g cm 2 / s2 (3x1010 cm / s)2

m

0,915 g

Por lo tanto la masa de los productos de reacción sería: 1000 – 0,915 = 999,085 gramos, es decir aproximadamente el 0,1% se ha transformado en energía. 2) Cuando estallan 1000 gramos de Trinitrato de Glicerina (Trinitroglicerina) se liberan 8,0x1013 ergios. Cuál es la masa de los productos de reacción. Aplicando la misma ecuación que en ejemplo anterior, tenemos: E

E

m . c2

m

8,0 x1013 g cm 2 / s2 10 2 (3x10 cm / s)

m

0,89x10

m

7

c2

g

La masa de los productos sería: 1000 – 0,89x10–7 = 999,999999911 gramos, En esta reacción química la masa de los productos difiere muy poco de la masa de los reactantes, esta diferencia es imposible medir experimentalmente, razón por la cual podemos decir que en las reacciones químicas ordinarias la materia se conserva....