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2020Autores: Equipo docente de la cátedra de Química General. U.T. F.R.GUÍA DE PROBLEMAS DEQUÍMICA GENERALDEPARTAMENTO DE MATERIAS BÁSICAS - CÁTEDRA DE QUÍMICA GENERALRégimen de aprobaciónAsistir al menos al 75% de las clases.Aprobar la totalidad de los trabajos prácticos al finalizar las clases, no...

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2020

GUÍA DE PROBLEMAS DE QUÍMICA GENERAL

Autores: Equipo docente de la cátedra de Química General. U.T.N. F.R.H.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL - FACULTAD REGIONAL HAEDO DEPARTAMENTO DE MATERIAS BÁSICAS - CÁTEDRA DE QUÍMICA GENERAL

Régimen de aprobación

Asistir al menos al 75% de las clases. Aprobar la totalidad de los trabajos prácticos al finalizar las clases, noviembre 2020. Aprobar los exámenes parciales, con un mínimo de 6 (seis) puntos sobre 10. El alumno podrá promocionar la asignatura si aprueba todos los parciales o bien si desaprueba 1 (uno) con la posibilidad de recuperarlo por única vez en las fechas de recuperación correspondientes al mes de diciembre. Aquellos alumnos que desaprueben más de un parcial podrán recuperarlos, 2 veces por cada parcial, en las fechas de recuperación de diciembre o febrero y estarán en condiciones de rendir el examen final, que aprobará con la calificación de por lo menos 6 (seis) puntos sobre un total de 10 (diez). Estas disposiciones serán puestas en conocimiento del alumno durante los primeros días de clase, oportunidad en que se le suministrará también el programa analítico de la asignatura, la bibliografía y un cronograma de clases y Trabajos Prácticos de Laboratorio.

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PROGRAMA ANALÍTICO Unidad 1. Sistemas materiales •Concepto de materia. •Propiedades de la materia. •Estado de agregación, cambio de estado. •Cuerpo. •Sistema material. •Propiedades extensivas e intensivas. •Sistemas homogéneos, heterogéneos e inhomogéneos. •Concepto de fase. •Mezcla. •Dispersiones groseras, coloidales y soluciones. •Sistemas heterogéneos. •Métodos de separación. •Soluciones. •Métodos de fraccionamiento. •Sustancia. •Fenómenos físicos y químicos, descomposición. •Sustancias simples y compuestas. •Elemento químico. Unidad 2. Estructura Atómica y electrónica. Tabla periódica •Antecedentes históricos. •Partículas constitutivas de los átomos: electrones, protones y neutrones. Características de cada una. •Número atómico y de masa. •Isótopos. •Radiación electromagnética. Naturaleza. •Interpretación del espectro de radiación de un sólido. Postulado de Planck. •Modelo atómico de Bohr. •Propiedades ondulatorias de la materia. Postulado de Broglie. •Modelo atómico mecánico-cuántico. •Números cuánticos. Significado físico. •Principio de exclusión de Pauli, regla de Hund, niveles de energía. •Configuraciones electrónicas. •Clasificación periódica de los elementos. Relación con la configuración electrónica. •Propiedades periódicas: Radio atómico, energía de ionización y afinidad electrónica. Química General 2020

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Unidad 3. Enlaces Químicos •Clasificación de los enlaces de acuerdo con su energía y distribución electrónica. •Enlace iónico. •Transferencia de electrones y balance energético. •Características del enlace iónico. •Sólidos iónicos. Propiedades •Enlaces covalentes y la formación de moléculas. •Orbitales moleculares. La molécula de hidrógeno. •Características de los enlaces covalentes. •Electronegatividad. •Polaridad del enlace covalente. •Sólidos covalentes. Propiedades •Enlace metálico. •Estructura de la red metálica. •Características del enlace metálico. •Sólidos metálicos. Propiedades. •Interacción entre las moléculas. •Fuerzas de van der Waals. Dipolos transitorios y permanentes. •Efectos orientativo e inductivo. •Enlace por puente de hidrógeno. Condiciones necesarias para su formación. •Compuestos moleculares. Propiedades. Unidad 4. Magnitudes Atómico-Moleculares •Unidad de masa atómica. •Concepto de mol. •Constante de Avogadro. •Volumen molar de los gases en condiciones normales de presión y temperatura Unidad 5. Compuestos Inorgánicos y Estequiometria •Característica de los elementos: metales, no metales, anfóteros y gases nobles. •Óxidos: ácidos, básicos, neutros, anfóteros. Nomenclatura •Ácidos: oxácidos e hidróxidos. Nomenclatura. •Bases o hidróxidos. Nomenclatura. •Sales: neutras, ácidas, básicas. Nomenclatura. •Ley de conservación de la materia de Lavoisier. •Ley de la conservación de los elementos. •Balance de las ecuaciones químicas. •Estequiometria.

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Unidad 6. Estado de agregación de la materia. Fase Gas, líquida y sólida •Característica de los gases. •Ley de Boyle y Mariotte. Isotermas. •Ley de Charles y Gay-Lussac. •Escala de temperatura absoluta. •Ecuación de estado de un gas ideal. •Mezcla de gases. Ley de las presiones parciales de Dalton. •Efusión de gases. Ley de Graham. Teoría cinética de los gases. Descripción del modelo. •Gases reales. •Desviaciones del comportamiento ideal. Causas. •Factor de compresibilidad. •Ecuación de van der Waals. •Isotermas de Andrews de un gas real. Licuación de los gases. •Presión, temperatura, volumen y densidad críticas. Fases condensadas Líquidos y sólidos •Características de las fases condensadas: Su diferenciación con el estado gaseoso. •Variación del volumen con la temperatura y la presión. •Propiedades de los líquidos. •Calor latente de vaporización: relación con la estructura molecular. •Presión de vapor. Relación con la temperatura. •Temperatura de ebullición. •Curvas de equilibrio sólido-líquido-vapor. Punto triple. •Equilibrio de fases. Regla de las fases. •Viscosidad. •Medición del coeficiente de viscosidad. Influencia de la temperatura. •Tensión superficial. Definición. Medición. •Propiedades de los sólidos. Calor latente de fusión. Presión de vapor. Temperatura de fusión. •Estructuras metálicas más comunes: cúbica centrada en las caras, en el cuerpo y hexagonal compacta. •Defectos cristalinos: omisión o vacancia, imperfecciones intersticiales sustitucionales. •Dislocaciones. Influencia en las propiedades físicas y mecánicas. Unidad 7. Soluciones •Solución: definición. •Soluto y disolvente: convenciones para designarlos. •Expresión de la concentración: Unidades físicas y químicas. •Soluciones de gases en sólidos. •Soluciones de líquidos entre sí. Química General 2020

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y

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•Soluciones de sólidos en líquidos. Dependencia de la solubilidad con la temperatura. •Soluciones diluidas. Propiedades coligativas •Presión de vapor. Ley de Raoult. •Descenso crioscópico y ascenso ebulloscópico. •Osmosis y presión osmótica. Aplicaciones. •Comportamiento "anómalo" de electrólitos. Unidad 8. Termoquímica •Formas de energía. Sus equivalencias. •Primer principio de la termodinámica. •Entalpía. Relación con el calor transferido a presión constante. •Calor de reacción. Definición. Influencia del estado físico de los reactivos. •Entalpía de reacción estándar. Definición. •Ecuaciones termoquímicas. Reacciones exotérmicas y endotérmicas. •Relación entre calores de reacción a presión constante y a volumen constante. •Calor de formación de una sustancia. •Leyes de la termoquímica: Leyes de Lavoisier-Laplace y de Hess. •Su interpretación en base del primer principio. •Calor de combustión y de neutralización. •Poder calorífico superior e inferior de los combustibles. Unidad 9. Electroquímica •Reacciones redox. Ajuste de ecuaciones. •Mecanismos de conducción eléctrica. •Electrólitos. •Teoría de Arrhenius. •Potenciales de reducción. •Pilas. Cálculo de la fuerza electromotriz. Sentido de circulación de electrones e iones. •Signo de cada electrodo. •Signo de la fem y espontaneidad de la reacción. •Pila de Daniell, pila seca, acumulador de plomo y de níquel-cadmio. •Corrosión. Mecanismos. •Clasificación: uniforme, en placas, por picado, intergranular, bajo tensiones. •Equilibrio en solución acuosa. Electrólitos fuertes y débiles. •Electrólisis de soluciones acuosas y de sales fundidas. •Leyes de la electrólisis. •Significado físico de la constante de Faraday. Relación con la carga del electrón.

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Unidad 10. Cinética química •Velocidad de reacción. Factores que influyen. •Velocidad de reacción y concentración de los reactivos. •Orden y molecularidad. •Dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura. Ecuación de Arrhenius. •Energía de activación. •Catalizadores. Aplicaciones industriales Unidad 11. Equilibrio químico •Reactivos y productos de reacción. •Reacciones reversibles. Velocidad directa e inversa. •Constante de equilibrio en función de las concentraciones y de las presiones parciales. •Principio de Le Chatelier-Braun. Aplicaciones. •Ecuación de Van't Hoff. •Producto iónico del agua, pH. •Neutralización Unidad 12. Introducción a la química orgánica •Principales funciones. Reglas de nomenclatura. •Isómeros. •Hidrocarburos alifáticos y aromáticos. •Alcoholes. Fenoles. •Aldehídos y cetonas. •Ácidos carboxílicos. Ésteres. •Compuestos nitrogenados: aminas, amidas y nitrilos. •Aminoácidos.

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UNIDAD 1 Química General UTN. Regional Haedo

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Sistemas Materiales "El universo es materia y energía. Por este motivo es importante saber, cuáles son las propiedades de la materia y cómo se clasifican los distintos sistemas materiales" 1.- En el gráfico siguiente se representó la dependencia con la masa de dos propiedades A y B. Indicar cuál de ellas es intensiva.

2.- Si X es una propiedad intensiva, indicar cómo se denominan los sistemas en los cuales esta propiedad varía como se indica en los gráficos siguientes:

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3.- Indicar cuál es el número de fases del sistema en el cual la variación de una propiedad intensiva X es la representada en el gráfico siguiente.

4.- Dar un ejemplo de un sistema heterogéneo formado por una sola sustancia. 5.- ¿Puede un sistema heterogéneo transformarse en un sistema homogéneo al variar la presión? Si es así, dé un ejemplo. Haga un gráfico aclaratorio. 6.- ¿Puede un sistema heterogéneo transformarse en un sistema homogéneo al variar la temperatura? Si es así, dé un ejemplo. Haga un gráfico aclaratorio. 7.- Indicar cuáles de las siguientes propiedades son intensivas: a. b. c. d. e. f. g. h. i.

Volumen Volumen específico Peso Peso específico Densidad Temperatura de fusión Resistencia eléctrica específica Dureza Coeficiente de dilatación

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8.- Obtener la composición centesimal de un sistema formado por 0,028 kg de hierro, 50 cm3 de kerosene cuya densidad es 0,8 g/cm3 y 1200 mg de cobre. 9.- Un sistema está formado por una solución que contiene cloruro de sodio (NaCl), azúcar (C12H22011), alcohol común (C2H5OH) y agua (H20), tres trozos de carbonato de calcio (CaCO3) y dos trozos de una aleación homogénea de oro y cobre, Indicar cuántas fases, componentes y elementos químicos posee el sistema. 10.- Una solución contiene 5 % en masa de cloruro de sodio, 15 % en masa de cloruro de potasio y 80 % de agua. Calcular la composición del sistema que se obtiene al evaporar el agua en forma total. 11.- Se tienen azúcar y sal disueltas en agua. Señalar cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas: a) El peso específico es igual en todas las porciones del sistema. b) El sistema está compuesto por más de una sustancia. c) El sistema tiene una sola fase a cualquier temperatura. 12.- Calcular qué masa de cada componente hay en 30 g de una solución que tiene 70% en masa de agua y 30 % en masa de etanol. 13.- Una arcilla parcialmente desecada contiene 50 % de dióxido de silicio (SiO2)y 7% de agua. La arcilla original contenía 12 % de agua. ¿Cuál es el porcentaje de dióxido de silicio en la muestra original? 14.- Un frasco de 1 litro se llena con dos líquidos miscibles (A y B), formando una mezcla cuya densidad 1,4 g/cm3. La densidad del líquido A es 0,8 g/cm3 y la del líquido B es 1,8 g/cm3. ¿Qué volumen de cada líquido constituye la mezcla? Suponga aditividad de volúmenes de líquidos. 15.- Un cemento Portland posee la siguiente composición centesimal: Óxido de calcio = 65 % Dióxido de silicio 20 % Oxido de aluminio = 6 % Oxido de hierro (III) = 4 % Óxido de magnesio = 5 % Calcular cuál será la composición de un hormigón que se obtiene al mezclar 4 partes en peso del cemento anterior con 12 partes en peso de arena y 1 parte en Química General 2020

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peso de agua. Suponer que la arena está constituida exclusivamente por dióxido de silicio. 16.- Indicar cuáles de estas afirmaciones son correctas y cuáles no. Justificar: a) Un sistema con un solo componente debe ser homogéneo. b) Un sistema con 2 componentes líquidos debe ser homogéneo. c) Un sistema con varios componentes debe ser heterogéneo. d) Un sistema con 2 componentes gaseosos debe ser homogéneo. e) El agua está formada por la sustancia oxígeno (O2) y la sustancia hidrógeno (H2). f) Cuando se calienta una determinada cantidad de un líquido, aumenta su volumen y en consecuencia también su masa. 17.- Indique qué métodos utilizaría, paso a paso, para separar los componentes de una mezcla de agua, alcohol, sal, arena y corcho. Haga diagramas aclaratorios. 18.- Indique los métodos que utilizaría para separar los componentes de una mezcla de cloruro de potasio sólido, solución acuosa de cloruro de potasio y limaduras de hierro. Haga los esquemas que aclaren dichas operaciones.

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Respuestas 1.- La propiedad A es intensiva 2.- I- Inhomogéneo. II- Heterogéneo. III- Homogéneo. IV- Inhomogéneo 3.- Número de fases = 4 7.- Propriedades intensivas: b, d, e, f, g, h, i. 8.-

Hierro: 40,46 % Kerosene: 57,80% Cobre: 1,73%

9.-

Fases=3 Componentes = 7 Elementos=8

10.- Cloruro de sodio = 25 %

Cloruro de potasio = 75 %

11.- a y b 12.- 21 g de agua

9 g de etanol

13.- Dióxido de silicio 47 % 14.- 400 ml de A y 600 cm3 de B. 15.- Óxido de calcio = 15,29 % Dióxido de silicio = 75,29 % Óxido de aluminio = 1,41 % Óxido de hierro (lll) = 0,94 % Óxido de magnesio = 1,18 % Agua= 5,88 %

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UNIDAD 2 Química General UTN. Regional Haedo

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Espectroscopía. Estructura del Átomo. Estructura Electrónica de los Átomos. Propiedades Periódicas de los Elementos Químicos "Las ideas modernas acerca de la estructura de la materia empezaron a tomar forma a partir de la teoría atómica de Dalton en el siglo XIX. Aquí estudiaremos las partículas que constituyen el átomo, sus características y cómo están distribuidas en el mismo. También veremos cómo es la distribución de los átomos en la tabla periódica"

ESPECTROSCOPÍA 1.- Suponiendo que el diámetro de un cierto átomo es de 1 A = 10 -10 m, calcular la cantidad átomos en contacto necesarios para formar una línea de 1 cm de longitud. 2.- Conociendo que el radio del átomo de Hidrógeno es de 0,053 nm y que el radio del protón es de 1,5 10 -6 nm, calcular la relación de volúmenes entre el núcleo y el átomo de hidrógeno 3.- Sabiendo que la luz visible esta dentro el rango de longitudes de onda entre 380 nm (violeta) hasta 700 nm (rojo). Calcular el rango de las respectivas energías expresadas en Joule y eVolt 4.- Complete la siguiente tabla y consigne claramente la fuente de origen de cada radiación (Expresar los valores con 2 o 3 cifras significativas y anteponer el prefijo más adecuado a la unidad) Química General 2018

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Rγ

Rx

UV

LV

IR

MO

OC

OL

4,8 G

98,5M

710 K

Fuente de Origen Frecuencia(Hz) Long de onda (m) E (eV/foton)

0,12 n 1,3 M

500 n 13,6

5.- Un foco incandescente de tungsteno de 75 w convierte solamente un 15 % de la energía eléctrica suministrada en luz visible. Si la λ de onda promedio de la luz emitida es 550 nm, determinar el número de fotones emitidos por segundo por el foco 6.- En los tres casos de incidencia de fotones de distinta energía ilustrado en el grafico siguiente, sobre la superficie de una lámina de K, demuestre mediante cálculos los valores allí expresados, sabiendo que la energía de ligadura del electrón en dicho átomo es de 2,0 eV. Considere que superada la energía de ligadura del electrón al metal EL, la diferencia se transfiere al mismo luego de ser arrancado en forma de energía cinética Ec, dada por la expresión: Eincidente = h. c / incidente = EL + Ec , donde la Ec = ½ me ve2

7.- Cuando incide luz de λ = 450 nm, sobre una superficie de sodio metálico, son extraídos los electrones con una energía cinética máxima de 0.40 eV (Ec)

e-

Ec= 0,4 eV

Sodio metálico Química General 2020

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a) ¿Cuál es la energía de ligadura (EL) del electrón, al átomo de Na? b) ¿Cuál es la máxima longitud de onda (λ) (ó mínima) de luz que arrancará electrones del sodio metálico? 8.- La primera línea en el rango de la luz visible del espectro del hidrógeno tiene una longitud. de onda de 656,3 nm ¿Cuál es la diferencia de energía en eV entre los dos niveles asociados a la emisión de dicha línea espectral?

Respuestas 1.- 108 2.- 2.26x10-14 3.- λ = 380 nm ∆E = 5.23x10-19 J = 3.26 ev λ = 700 nm ∆E = 2.84x10-19 J = 1.77 ev 4.- Resolución personal 5.- 3.11x1019 fotones/seg 6.- Resolución personal 7.- a) 3.78x10-19 J = 2.36 ev b) 526.19 nm (max) 8.- 1,89 eV

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ESTRUCTURA ATÓMICA

1.- Indicar qué magnitudes (Z, A, carga eléctrica) se escriben en cada posición para el elemento cuyo símbolo es X. Escribir luego, como ejemplo, los valores numéricos que corresponden al elemento calcio, al catión aluminio y al anión bromuro.  

X

   Ca

 

0

 

Al

+3



 

Br

–1

2.- Detallar para cada uno de los nucleídos siguientes: número de protones, número de neutrones y número de electrones: a)

b)

c)

3.- Detallar para cada uno de los iones siguientes: número de protones, de neutrones y de electrones; escribir el símbolo del átomo del elemento que posee igual número de electrones que el ion.

a)

-

b)