Material Química General Unidades 1 y 2 PDF

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Contenidos: Objeto de la Química. Materia: definición, propiedades. Estados de agregaciónde la materia: Comparación entre los tres estados de la materia. Cambios físicos y químicos.Sustancia: concepto, sustancia pura, elemento y compuesto. Mezcla: concepto. Tipos.Métodos aplicados a la separación de...

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APUNTES DE QUÍMICA GENERAL

Unidad 1 Introducción Contenidos: Objeto de la Química. Materia: definición, propiedades. Estados de agregación de la materia: Comparación entre los tres estados de la materia. Cambios físicos y químicos. Sustancia: concepto, sustancia pura, elemento y compuesto. Mezcla: concepto. Tipos. Métodos aplicados a la separación de mezclas.

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UNIDAD N° 1 MATERIA Y SISTEMAS MATERIALES 1. Clasificación de la materia La materia está en todas partes: el agua que pones en la cafetera, tu cepillo de dientes, el oxígeno que inhalas y el dióxido de carbono que exhalas son formas de materia. La materia se distingue por ciertas propiedades como su aspecto, el punto de fusión y ebullición, la densidad y otras. Además tiene la forma física de sólido, líquido o gas, siendo el ejemplo más común el agua, un compuesto que existe en los tres estados: el cubo de hielo, el agua que sale de la canilla y cuando se evapora forma un gas. Materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa un espacio. Como hay varios tipos, la materia se clasifica según la clase de componentes que contiene. Una sustancia pura tiene una composición definida, mientras que una mezcla está formada por dos o más sustancias en cantidades variables. 1.1. Sustancias puras Una sustancia pura es un tipo de materia de composición definida. Hay dos tipos: elementos y compuestos. Los elementos son las sustancias más fundamentales con las cuales se construyen todas las cosas materiales. La partícula más pequeña que conserva las propiedades del elemento es el átomo. Los átomos de un elemento sólido están organizados con arreglo a un patrón regular y son del mismo tipo. Todos los átomos de un trozo de cobre son átomos de cobre. Los átomos de un elemento particular no se pueden dividir en átomos más simples. Los compuestos son una combinación de dos o más elementos unidos en una determinada proporción: todas las muestras de agua (H2O) están formadas por la misma proporción de hidrógeno y oxígeno, pero en el peróxido de hidrógeno (H 2O2), están combinados en proporciones diferentes. Tanto el H2O como el H2O2 son distintos compuestos formados por los mismos elementos en diferentes proporciones. Por ejemplo el agua está formada por dos clases de átomos (H y O), y el azúcar por tres clases de átomos (C, H, O). Son sustancias compuestas. También lo son los óxidos, las bases, los ácidos, las sales, todas las sustancias orgánicas, y la infinidad de sustancias artificiales que ha sintetizado el ser humano Para identificar una sustancia debemos conocer:  La clase de átomos que la forman  La cantidad de átomos de cada clase  La organización o estructura molecular (en qué lugar está cada átomo, cómo y con quién está unido cada uno) Cuando avancemos en el estudio veremos que todas las moléculas de agua son idénticas entre sí, que los enlaces que unen al O con los H son enlaces covalentes polarizados, que los átomos siempre están a la misma distancia (distancia de enlace), que los ángulos formados por los átomos son siempre iguales (ángulos de enlace), y que todas las propiedades del agua, que la convierten en una sustancia fundamental para la vida, se deben a esa estructura u organización de los átomos en la molécula.

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El H y el O pueden formar otro compuesto (el peróxido de hidrógeno), cuya fórmula es H2O2 y nos indica que son moléculas formadas por los mismos átomos, pero la cantidad de O ha variado (la atomicidad es 2). Estamos en presencia de otra sustancia, con propiedades y usos distintos, y la conocemos como agua oxigenada.

Los compuestos se descomponen mediante procesos químicos en sustancias más simples como los elementos, pero no se pueden descomponer mediante procesos físicos. Los elementos no se descomponen ni por procesos físicos ni por procesos químicos. 1.2. Mezclas En una mezcla dos o más sustancias se combinan físicamente pero no químicamente. El aire que respiramos es una mezcla, principalmente de gases oxígeno y nitrógeno. El acero es una mezcla de hierro, níquel, carbono y cromo. Una solución como el té o el café también es una mezcla. Tipos de mezclas Las mezclas se clasifican en: Homogéneas: Los sistemas homogéneos son uniformes y continuos a simple vista, no se puede distinguir sus componentes, tienen las mismas propiedades en todos sus puntos. Tienen una sola fase aunque tengan varios componentes. Por ejemplo: un sistema formado por agua, azúcar y alcohol se nos presenta como una fase líquida continua y no podemos diferenciar donde está el agua, el azúcar o el alcohol ya que se encuentran uniformemente distribuidos en todo el sistema. Sus propiedades, tal como el sabor, serán las mismas en cualquier parte del sistema que probemos. El aire presenta una fase gaseosa, continua y uniforme. El acero una fase sólida. Heterogéneas: son discontinuos y a simple vista se distinguen dos o más fases diferentes, con distintas propiedades cada una de ellas. Si mezclamos agua con arena y aceite vamos a poder decir donde se encuentra cada uno de ellos, vamos a distinguir fácilmente que hay tres fases. Una fase sólida de arena precipitada, y dos fases líquidas claramente diferenciadas (el aceite flotando sobre el agua). El área de contacto entre dos fases se denomina “interfase”. Cantidad de componentes: hay sistemas de un componente, de dos, de tres, etc. Esto no se relaciona con la cantidad de fases sino con la cantidad de sustancias presentes. Si coloco un hielo en un vaso y lo tapo tendré un sistema formado por una sola fase sólida y por un componente: el agua en estado sólido. Si lo caliento veré que aparece una segunda fase líquida (agua líquida), y luego se suma una tercera fase gaseosa (vapor de agua) 3|Página

pudiendo estar las tres presentes simultáneamente. En este caso tengo un sistema heterogéneo (tres fases) formado por un solo componente (el agua). También, como ya vimos, hay sistema formado por varios componentes que son homogéneos, con una sola fase. Una bebida gaseosa presenta aspecto homogéneo aunque sus componentes son sólidos, líquidos y gases uniformemente distribuidos en una sola fase líquida. 2. Propiedades de la materia y estados de agregación Una forma de describir la materia es observar sus propiedades. Hay dos tipos de propiedades: las físicas y las químicas. 2. 1. Propiedades Físicas Son aquellas propiedades que se observan o miden sin afectar la identidad de una sustancia. Son ejemplos de este tipo de propiedades: color, olor, punto de fusión, punto de ebullición, estado a 25 °C, apariencia, conducción de la electricidad, conducción del calor, densidad. Estas propiedades están relacionadas con el estado de la materia: sólido, líquido y gaseoso, como se muestra en la figura. Cada estado tiene un conjunto de propiedades físicas. Un sólido tiene una forma y volumen definido: un libro, una pelota. Un líquido tiene un volumen definido pero no una forma definida, por ejemplo el agua toma la forma del recipiente que lo contiene. Un gas no tiene ni forma ni volumen; cuando se infla un neumático con aire, que es un gas, llena toda la forma y el volumen del mismo El agua es una sustancia que se encuentra comúnmente en tres estados. Cuando la materia experimenta un cambio físico, su estado cambiará, pero su identidad o composición permanecen iguales. La forma sólida del agua, como la nieve o el hielo, tiene una apariencia distinta a la de su forma líquida o gaseosa, pero en las tres formas es agua. Ejemplos de cambios Tipo de cambio físico Cambio de estado Cambio de apariencia Cambio de forma Cambio de tamaño

Ejemplo Agua en ebullición Disolución de azúcar en agua Estirar el cobre en un alambre delgado Moler pimienta en partículas más pequeñas

2.1.1. Densidad (δ) La densidad es una propiedad física importante de la materia. Es la medida de cuánta masa hay contenida en una unidad de volumen. Se expresa mediante la fórmula: δ = m/v Donde δ es la de densidad, m la masa y v el volumen. Puesto de manera sencilla, si la masa es la medida de cuánto material tiene un objeto, entonces, la densidad es la medida de cuán compactado está ese material. En el sistema de unidades SI (ver Anexo), se expresa en kg/m3, aunque en general sus unidades son: g/cm3 para los sólidos, g/cm3 o g/mL para los líquidos y g/L para los gases.

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Los cuerpos sólidos suelen tener mayor densidad que los líquidos y éstos tienen mayor densidad que los gases. La densidad del agua, por ejemplo, es de 1 g/cm3. Esto significa que si tomamos un cubo de 1 cm de lado y lo llenamos de agua, el agua contenida en ese cubo tendrá una masa de un gramo. Una de las maneras cotidianas para ilustrar a la densidad, es a través de la observación de cualquier cosa que flote o se hunda en un líquido determinado, (por ejemplo, agua). Si un objeto es menos denso que el líquido en donde se encuentra, entonces flotará. Pero si es más denso, se hundirá. Por eso es que un ancla, la cual es muy densa (con gran cantidad de masa en poco volumen), se hunde tan rápidamente; mientras que un corcho (poca masa y gran volumen), flota y le cuesta hundirse porque es menos denso que el agua. Algunos elementos son, por naturaleza, muy densos. Este es el caso del mercurio (Hg) que es un metal líquido a temperatura ambiente cuya densidad de 13,6 g/cm3. Esto significa que en un cubo de 1 cm de lado lleno con mercurio se tiene una masa de 13,6 gramos. En el capítulo 6 de disoluciones retomaremos este concepto. La densidad de una disolución es necesaria para poder convertir expresiones de concentración que involucran el volumen de la disolución a expresiones que involucran a la masa de la misma (o viceversa). Ejemplos: Una muestra de 44,65 g de cobre tiene un volumen de 5 cm3 ¿Cuál es la densidad del cobre? δ cobre = m/v = 44,65 g / 5 cm3 δ cobre = 8,93 g/cm3 Si la densidad de la leche es 1,04 g/mL ¿Cuántos gramos de leche hay en una taza de leche (250 mL)? δ = m/v, por lo tanto, despejando se tiene que m = δ x v m = δ x v = 1,04 g/mL x 250 mL m = 260 g 2. 2. Propiedades químicas Las propiedades químicas son aquellas que describen la habilidad de una sustancia para cambiarla en una nueva. Durante un cambio químico la sustancia original se convierte en una o más sustancias nuevas con diferentes propiedades químicas y físicas. Ejemplos de cambios químicos Tipo de cambio químico Caramelizar azúcar Formación de óxido Quemar madera

Cambios en propiedades químicas A altas temperaturas el azúcar blanco cambia a una sustancia suave de color caramelo. El hierro que es gris y brillante, se combina con el oxígeno para formar óxido anaranjado-rojizo. Un trozo de pino se quema con una llama que produce calor, cenizas, dióxido de carbono y vapor de agua.

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RESUMEN

SISTEMAS HOMOGÉNEOS Soluciones: son sistemas homogéneos tanto a simple vista como al ultramicroscopio, formados por dos o más componentes miscibles entre sí, cuyas partículas tienen un tamaño menor a 0,001 μ (micras). Por eso las soluciones pueden dializar, son ópticamente vacías y no se pueden separar sus componentes por métodos mecánicos. Porque el diámetro de las partículas es muy pequeño. Micrón, micra o micrómetro = 10-6 m Å angstrom = 10-10 m Los componentes de las soluciones se relacionan a nivel molecular, las “partículas” son las moléculas de las sustancias que difunden las unas en las otras formando un sistema absolutamente homogéneo, donde todas las moléculas de todos los componentes se mueven sin interferencias físicas ni químicas por todo el espacio que ocupa el sistema. Esto es posible cuando los componentes son miscibles entre sí, o sea que sus naturalezas físico-químicas son compatibles. Lo básico a considerar es el tipo de enlace químico que 6|Página

tienen las moléculas de cada uno de los componentes, ya que las sustancias con enlaces polares en sus moléculas difícilmente son miscibles con las sustancias que tengan moléculas no polares. No tiene cómo interaccionar entre ellas y, por el contrario, se expulsan mutuamente del sistema, separándose en fases nítidas (agua y aceite – nafta y agua) En cambio las sustancias con enlaces iónicos o con enlaces covalentes polares serán fácilmente miscibles entre sí (ácidos, bases y sales en el agua – agua y alcohol etílico). De igual manera las sustancias con enlaces covalentes no polares serán miscibles entre sí (aceite y nafta – oxígeno y nitrógeno). En una “solución ideal” sus componentes son miscibles en cualquier proporción, como en el caso de los gases entre sí, o del agua con el alcohol etílico. Pero en las soluciones reales solemos encontrar con frecuencia que uno de los componentes sólo puede disolverse en el otro hasta un cierto límite: su solubilidad en ese solvente. Sabemos por experiencia que la sal de mesa se disuelve en el agua, y también que si agregamos mucha sal comenzará a precipitar, o sea que no podemos decir que será una solución ideal. En estos casos llamamos solvente al componente que se encuentra en mayor proporción (agua), y soluto al que está en menor proporción (sal). Según el estado de agregación de los componentes hay soluciones de gas en gas (todos los gases son solubles entre sí), líquido en líquido (agua y alcohol), sólido en sólido (aleaciones metálicas). También entre estados distintos como sólido en líquido (sal en agua) o gas en líquido (oxígeno en agua). Esto es importante considerarlo, especialmente cuando se trata de diseñar un método para intentar separar los componentes de una solución. Los métodos mecánicos (decantación, filtración, centrifugación) no permiten separar los componentes de las soluciones. Si hay que separar dos líquidos puede ser útil la destilación fraccionada, mientras que por evaporación separaremos un componente líquido de un sólido. El tamaño de las partículas es importante ya que las moléculas que no superan 0,001 μ pueden atravesar las membranas biológicas pues caben por sus poros, o sea que las soluciones difunden a través de las membranas semipermeables: dializan. Coloides: llamados también sistemas coloidales, dispersiones coloidales y soluciones coloidales. Son sistemas homogéneos a simple vista y al microscopio, pero uno de ellos tiene partículas entre 0,001μ y 0,1μ de diámetro. Por eso son sistemas inestables, “ópticamente llenos” y no dializan. Dentro de los coloides encontramos una gran variedad de tipos: el humo, la espuma de afeitar, la mayonesa, la tinta china, el queso, la niebla, la gelatina, la piedra pómez, la leche, las pinturas y el propio citoplasma celular, son ejemplos de coloides. Al componente que está en mayor proporción se lo llama “fase dispersante” y al que está en menor proporción “fase dispersa”. La fase dispersante puede ser el agua. La fase dispersa suelen ser macromoléculas o cúmulos de moléculas que reciben el nombre de “micelas”. Las proteínas en el agua constituyen un ejemplo de coloide que nos muestra la frágil estabilidad de este sistema homogéneo. Ante cualquier modificación de las condiciones (temperatura, pH, cantidad de sales presentes) el sistema coloidal se desestabiliza y se separan nítidamente sus fases. En otros casos, como en la gelatina, podemos observar la 7|Página

propiedad de mantenerse homogéneo y cambiar de estado por la variación de la temperatura (conversión sol-gel). Por su mayor tamaño las micelas no pueden atravesar los poros de las membranas biológicas (no dializan), por eso la diálisis es un método que permite separar las micelas de los solutos. Suspensiones: Sistemas heterogéneos formados por dos o más componentes cuyas partículas tiene un diámetro superior a 0,1 μ, por lo tanto podemos distinguir sus fases con la ayuda de una lupa o de un microscopio. Son sistemas inestables y se pueden separar por procedimientos mecánicos como la decantación y la filtración.  Las suspensiones están formadas por un sólido y un líquido no miscibles.  Las emulsiones por dos líquidos no miscibles.  Mezclas groseras o dispersiones groseras: son sistemas heterogéneos cuyos componentes se distinguen a simple vista y pueden ser separados fácilmente. Ejemplo: una mezcla de piedras y corchos, o monedas y botones.

MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE FASES Y MÉTODOS DE FRACCIONAMIENTO Para separar los componentes de una mezcla existe una enorme cantidad y variedad de métodos que usaremos según las características de la mezcla y sus componentes:

-químicas En el caso de un sistema material heterogéneo podemos utilizar los métodos de separación de fases: requieren de un intercambio apreciable de energía entre el sistema y su entorno

MÉTODOS MECÁNICOS Tría: para separar cuerpos sólidos grandes usando pinzas (también un colador si están en líquido). Decantación: para separar, por simple diferencia de sus densidades, un sólido de un líquido (no miscibles) o dos líquidos no miscibles (ampolla de decantación). Lento.

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Flotación: para separar dos componentes de diferente densidad agregando un solvente que sea más denso que uno de ellos. Centrifugación: permite acelerar notablemente la velocidad de decantación aplicando la fuerza centrífuga. El aparato utilizado se denomina centrífuga. Tamización: para separar dos sólidos cuyas partículas tengan diferente tamaño. Se usan tamices o cribas de diversos materiales y diversa abertura de sus mallas (poros). Filtración: para separar un sólido insoluble de un líquido. El líquido pasa y el sólido queda retenido en el filtro. Los filtros más comunes son de papel de diversos poros. Solubilización: para separar componentes agregando un solvente miscible sólo con uno de ellos. Imantación: para separar sólidos magnéticos de sólidos no magnéticos por la acción de un imán. Colocar el sistema sobre un papel o un vidrio y deslizar el imán por debajo, siempre en el mismo sentido. Levigación: para separar partículas sólidas de diferentes pesos por arrastre con una corriente de agua o de aire. Las partículas más livianas son más desplazadas que las pesadas SEPARACIÓN DE MEZCLAS HOMOGÉNEAS O MÉTODOS DE FRACCIONAMIENTO Evaporación o cristalización: para separar un sólido y un líquido miscibles entre sí. Al calentar se evapora el líquido y queda el sólido como un residuo seco. Se pierde el líquido Destilación simple: para separar un sólido y un líquido miscibles, conservando ambos. Se utiliza un destilador y calor. Destilación fraccionada: para separar dos líquidos miscibles cuyos puntos de ebullición no sean próximos. Calor, destilador con columna de fraccionamiento. En sistemas complejos se utilizan métodos de separación basados en varios principios simultáneamente. cromatografía es una técnica de separación de sustancias que se basa en las diferentes velocidades con que se mueve cada una de ellas (diferentes pesos y solubilidades) a través de un medio poroso arrastradas por un disolvente en movimiento, que se desplaza por capilaridad en dicho medio poroso. electroforesis también produce el arrastre de los componentes de una mezcla compleja a través de un soporte, pero por la diferencia de velocidades al ser sometidas a una corriente eléctrica. Aquí las diferentes sustancias migrarán más o menos en la corriente según su peso y su carga eléctrica.

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diálisis se utiliza para purificar un sistema coloidal en el cual se encuentran disueltos iones o sustancias no deseadas. Los solutos atravesarán la membrana separándose de las micelas que quedan retenidas.

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Unidad 2 Elementos y símbolos químicos. Tabla periódica. Átomos y moléculas. Contenidos: Elementos, símbolos químicos y Tabla Periódica. Partículas atómicas y periodicidad química. Átomo. Concepto. Electrón, protón, neutrón. Núcleo atómico. Número atómico. Número de masa. Isótopos. Isóbaros. Isótonos. Orbitales atómicos. Configuración electrónica. El mol. Número de Avogadro. Mol. Pesos moleculares. Clasificación sistemática de los elementos: Fundamentos de la nueva clasificación periódica. Leyes de periodicidad. División de la tabla periódica: períodos y grupos. Propiedades periódicas Potencial de ionización. Afinidad electrónica. Electronegatividad. Metales. No metales. Semimetales.

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1. Elementos, símbolos químicos y Tabla Periódica Anteriormente aprendimos que los elementos son las su...