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Manual de Química General e Inorgánica Facultad de Ciencias Químico Farmacéuticas y Bioquímicas

2020

TEMA Nº 1 FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA Química La química es la ciencia que estudia la naturaleza de la materia, sus propiedades, su estructura, las transformaciones que sufre, los procesos energéticos que pueden ocurrir en esos cambios y las leyes que gobiernan estos cambios. Materia Es todo aquello cuanto existe en el universo, tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, por ejemplo: madera, bosques, mares, aire, oro, hierro, medicamentos, libros, etc. Masa Es una medida de la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Esta no varía con los factores externos, es decir, es una propiedad intrínseca de los cuerpos y se representa con una “ m”. Para medir la masa se utiliza la balanza, por ejemplo: la masa de un astronauta es la misma en la tierra que en la luna. Peso Es la medida de la fuerza de la gravedad entre el cuerpo y el centro de la tierra. El peso varia cuando el cuerpo cambia de un lugar a otro, ya que depende de la fuerza de la gravedad que ejerza el centro de la tierra sobre él. Por ejemplo: un hombre cuyo peso en la tierra es de 600 N en la luna pesará 100 N, porque la gravedad es seis veces menor que en la tierra. Por ser el peso una fuerza se debe expresar como tal: 𝑃=𝑚×𝑔

Donde:

P = peso m = masa g = gravedad

Al calcular el peso de un cuerpo cuya masa es 1 Kg, multiplicamos esta masa por el valor de la fuerza de la gravedad (9,807 m/s2). 𝑃 = 𝑚 × 𝑔; 𝑃 = 1 𝐾𝑔 × 9,807 𝑚⁄ 𝑠2 = 9,807𝐾𝑔 × 𝑚⁄ 𝑠2 = 9,807 𝑁 La unidad de fuerza es el N que equivale a 1 𝐾𝑔 × 𝑚⁄ 𝑠 2, por tanto el peso de un cuerpo cuya masa es 1 Kg es de 9,807 N. Clasificación de la materia La materia se clasifica tomando en cuenta su estado físico (sólido, líquido, gaseoso y plasma), y de acuerdo a su composición (sustancias puras y mezclas). A. La materia de acuerdo al estado físico La materia se presenta en cuatro formas diferentes de agregación o estados fundamentales denominados: estado sólido, estado líquido, estado gaseoso, estado plasma. La forma y el volumen caracterizan los estados en que se presenta la materia y los denominamos estados físicos. 1. Estado Sólido - Posee forma y volumen propio. - Sus moléculas se hallan en un estado de ordenación regular: forma cristalina definida. - Sus moléculas no son compresibles. - Entre sus moléculas predomina la fuerza de atracción. 2. Estado Líquido - Conservan el volumen pero no la forma, sino que la adoptan del recipiente que lo Contiene. - Sus moléculas no representan un estado ordenado, sino que se caracterizan por poseer un cierto desorden. - Son poco compresibles. - Sus moléculas están equilibradas por las fuerzas de atracción como repulsión. Dra. M. América García Vargas

Dra. Mónica R. Vargas Flores

Dr. Gunnar E. Arancibia Barrientos

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Estado Gaseoso No tienen forma ni volumen propio, sino que la adoptan del recipiente que lo contiene. Sus moléculas se caracterizan por su movilidad y fuerza expansiva. Son fácilmente compresibles, por lo tanto, pueden ocupar el menor volumen posible. Entre sus moléculas predominan las fuerzas de repulsión. Estado Plasma Es considerado un cuarto estado de la materia, cuando ésta es sometida a altas temperaturas (millones de grados) sus átomos se desintegran y sus partículas (p+, n0, e-) se mueven libremente a grandes velocidades. Se encuentra en los reactores nucleares, en el sol y las estrellas.

Tomando en cuenta los cambios de temperatura, una muestra de materia puede pasar de un estado físico a otro, por ejemplo en el caso del agua, su estado sólido se le llama hielo, si se calienta lo suficiente, el hielo se funde y se convierte en agua líquida. Si se continúa calentando, el agua hierve y se produce un gas al que llamamos vapor de agua. La nube que aparece encima del pico de una tetera o de un recipiente con agua hirviente contiene gotitas de agua líquida condensada. Agua sólida (hielo)

Solidificación

Ebullición Agua líquida

Fusión

Condensación

Agua gaseosa (vapor de agua)

Al enfriar el vapor, éste se condensa; es decir, vuelve a ser líquido. Al reducir la temperatura del agua líquida lo suficiente, el agua se congela y forma hielo. Así pues, el estado físico del agua depende de la temperatura. B. La materia de acuerdo a su composición La materia se presenta en dos formas, como sustancia pura y mezcla.

1. Sustancia Pura Es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y propiedades iguales en toda su masa. Las sustancias puras son los elementos y compuestos. a) Elementos.- Son sustancias fundamentales con las que se construyen todos los objetos materiales, están constituidas por una sola clase de átomos por ejemplo: el oxígeno, carbono, nitrógeno, hierro, etc. No se descomponen en sustancias más sencillas. Hasta el momento se han identificado 118 elementos de los cuales aproximadamente 90 se encuentran en la naturaleza y los restantes han sido sintetizados.

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Los elementos se hallan en cantidades variables en la tierra, la abundancia relativa de los elementos en la corteza terrestre, incluyendo las aguas de superficie y atmósfera es:

Los elementos son representados a través de símbolos. El símbolo de un elemento se toma de la letra inicial de su nombre. Cuando varios elementos coinciden en su primera letra, se toma la segunda letra en minúscula, o una intermedia hasta lograr la diferenciación total, por ejemplo: K del latín Kalium, Fe del Ferrum, Na del Natrium, C del Carbono, Ca del Calcio, Cd del cadmio. Los nombres de los elementos responden a sus propiedades, a lugares donde se han encontrado, planetas o a científicos que los han descubierto o sintetizado, por ejemplo el hidrógeno “formador de agua ”, oxígeno “formador de óxidos”, Fósforo “portador de luz”, Escandio por Escandinavia, Fermio en honor a Enrico Fermi, Curio en honor a los esposos Curie, Einstenio en honor a Einstein. b) Compuestos.- Son sustancias puras formadas por la combinación química de dos o más elementos en proporciones fijas. Las propiedades de los compuestos son distintas en relación a las propiedades individuales de los elementos. Los elementos de un compuesto solo pueden separarse mediante procesos químicos. Los compuestos se representan mediante fórmulas químicas, por ejemplo: CO 2, H2O, NaCl, CH4, etc.

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2. Mezcla Son sistemas formados por la asociación física de dos o más sustancias en proporciones variables, donde cada sustancia conserva sus propiedades y pueden separase por procedimientos físicos. Las mezclas pueden ser homogéneas y heterogéneas. a) Mezcla Homogénea.- También llamada solución, tiene composición y propiedades constantes. Su apariencia es uniforme porque está constituida por una sola fase. Por ejemplo: azúcar disuelta en agua, sal y agua, mezclas de líquidos miscibles como el alcohol y el agua, las aleaciones metálicas como el bronce (Cu y Sn), el latón (Cu 70% y Zn 30%), el aire. b) Mezcla Heterogénea.- Está constituida por más de una fase. Por tanto no presenta composición y propiedades constantes. La composición de una fase difiere de la composición de la otra fase. Por ejemplo: una mezcla de aceite y agua es una mezcla heterogénea, arena y carbón, jugo de naranja es una mezcla heterogénea porque contiene jugo, pulpa y agua. Propiedades de la Materia Una propiedad es una característica por medio de la cual una sustancia puede ser descrita e identificada. Existen propiedades comunes a todos los cuerpos que no permiten diferenciar una sustancia de otra y que dependen de la cantidad de materia, tales como: forma, masa, tamaño, impenetrabilidad, inercia, estas propiedades se las denomina generales o extensivas, por ejemplo un ladrillo y trozo de madera pueden tener la misma masa. Las propiedades que permiten diferenciar una sustancia de otra y que no dependen de la cantidad de materia, se denominan específicas o intensivas, que a su vez son físicas y químicas. 1. Propiedades Físicas.- Son características que pueden determinarse sin que ocurra cambios en la composición de la materia, por ejemplo: color, olor, sabor, densidad, ductilidad, maleabilidad, punto de ebullición, punto de fusión, conductividad eléctrica, etc. 2. Propiedades Químicas.- Son características que pueden determinarse cuando ocurre cambios en la composición de la materia, por ejemplo la fácil oxidación de los metales alcalinos, la combustibilidad de los compuestos orgánicos transformándose en otros ( CO2 y H2O), etc. Algunas propiedades físicas Color Lubricidad Conductividad eléctrica Sabor Olor Solubilidad Suavidad Ductilidad Viscosidad (resistencia al flujo) Dureza Maleabilidad Densidad (relación masa/volumen) Algunas propiedades químicas Es tóxico Reacciona con ciertos metales específicos Reacciona con el agua Reacciona con ciertos no metales específicos Se reduce Reacciona con ciertos ácidos

Punto de ebullición Punto de fusión Brillo Volatilidad Combustibilidad Hace explosión Se oxida

Transformaciones de la Materia Las diversas transformaciones que sufre la materia se denominan procesos y se clasifican en: físicos, químicos y nucleares. 1. Procesos Físicos.- Son transformaciones en las que no se alteran la composición química de la materia y por consiguiente son reversibles, por ejemplo la congelación del agua, la rotura de un vidrio, trituración de una piedra. En estos cambios no se forman nuevas sustancias. 2. Procesos Químicos.- También se denominan reacciones químicas. Son cambios en los cuales se alteran las propiedades de la materia y en su mayoría son irreversibles. En esos cambios se forman nuevas sustancias. Los procesos o cambios químicos frecuentemente van acompañados de cambios de energía, cuando se desprende energía calorífica se denominan reacciones exotérmicas, y cuando se absorbe energía calorífica se denominan reacciones endotérmicas. 3. Procesos Nucleares.- Implican una alteración profunda en la naturaleza de la materia. Son transformaciones de la materia en energía. Por ejemplo, la desintegración del átomo. Dra. M. América García Vargas

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Ley de La Conservación de la Materia. Esta ley fue formulada por Antonio Lavoisier, quien luego de llevar a cabo múltiples reacciones químicas en recipientes cerrados, determinó que no ocurría variación alguna en la masa durante la reacción , enunciando la ley de la conservación de la materia que dice: “la materia no se crea ni se destruye solo se transforma”. 4 Fe + 3 O2 Masa antes de la reacción

2 Fe2O3 → = Masa después de la reacción

Energía y Cambio Químico. La energía se define como la capacidad para realizar trabajo o transferir calor. Se realiza trabajo cuando se mueve una masa a través de una distancia. Entre las formas comunes de energía están: la luz, el calor, la energía eléctrica, la energía mecánica y la energía química. La energía se puede convertir de una forma a otra. Por ejemplo cuando se enciende una linterna la energía química almacenada en la batería se convierte en energía eléctrica, en luz y poco de energía calorífica. Cada una de las formas de energía se puede clasificar como energía potencial y energía cinética. a) Energía Potencial.-Es la energía almacenada, es la energía que posee un cuerpo debido a su posición o a su composición química. Por ejemplo la gasolina y el azúcar de mesa poseen energía potencial debido a su composición química. Un automóvil estacionado en una colina tiene energía potencial debido a su posición. b) Energía Cinética.- Es la energía que poseen los cuerpos en virtud a su movimiento. Por ejemplo un automóvil estacionado en una colina comienza a bajar, la energía potencial se transforma en energía cinética. Desde el punto de vista matemático la energía cinética de un cuerpo es igual a la mitad de su masa (m) multiplicado por el cuadrado de su velocidad (v). 1

𝐸𝑐 = 𝑚 × 𝑣 2 2

Cambios de energía en las reacciones químicas En la mayor parte de las reacciones químicas, la energía potencial de las sustancias que intervienen disminuye. En otras palabras, los compuestos de alta energía se convierten por lo general en compuestos de baja energía. Cuando esto sucede se libera energía comúnmente en forma de calor. Si se invierte una reacción química que libera energía, es preciso suministrar energía en forma continua para que prosiga la reacción. Se libera energía Compuestos de alta energía

Compuestos de baja energía + energía Se absorbe energía

En términos de energía potencial, los materiales de una reacción química se parecen en cierto sentido a un automóvil sobre una colina. Se libera energía potencial cuando el auto baja por ella, pero se requiere de energía para subirlo. Ejemplo: La energía potencial almacenada en el azúcar y en otros alimentos, se liberan cuando las células vivas utilizan el alimento en un proceso denominado metabolismo. Este proceso es muy complejo, sin embargo se puede resumir como sigue: El azúcar se combina con el oxígeno y produce 𝐶𝑂2 , 𝐻2 𝑂 y energía. De esta manera se libera algo de energía cuando las moléculas de azúcar y oxígeno de alta energía (menos estables) se transforman por medio de reacciones químicas, en las moléculas de baja energía (más estables) de 𝐶𝑂2 y 𝐻2 𝑂. Metabolismo o combustión Azúcar + oxígeno

Dióxido de carbono + agua + energía Fotosíntesis

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Otro proceso biológico como la fotosíntesis, las plantas verdes absorben la energía solar que incide en la superficie terrestre y la almacenan como energía química (dióxido de carbono y agua en azúcar). En términos de cambios de energía, la fotosíntesis y el metabolismo son procesos inversos. Una reacción que libera energía calorífica se llama reacción exotérmica. Cuando se libera energía en forma distinta del calor la reacción se llama exergónica. Cuando se absorbe calor durante la reacción es endotérmica y cuando la absorción de energía es distinta del calor se llama endergónica. Ejemplo: Los procesos siguientes ¿representan un cambio físico o un cambio químico? ¿Hay incremento o disminución de energía potencial de los materiales que intervienen? a) Una taza de vidrio que cae. b) Una bicicleta es empujada hasta la cima de una colina. c) 𝐻2 y 𝑂2 gaseosos explotan con un fuerte sonido cuando se encienden y producen agua. d) Una corriente eléctrica descompone a agua en 𝐻2 y 𝑂2. Ley de la conservación de la energía. A pesar de que la energía se puede transformar de una forma en otra, puede almacenarse o transferirse de un material a otro, la cantidad en el universo permanece constante es decir no aumenta ni disminuye. Esto constituye la ley de la conservación de la energía que dice: “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Relación entre materia y energía Después de numerosos estudios teóricos, Albert Einstein, en 1905 desarrolló la teoría de la relatividad, al hacerlo estableció una relación entre la materia y la energía, constituyendo la ahora famosa ecuación de Einstein que se escribe como: 𝐸 = 𝑚 × 𝐶2

Dónde:

𝐸 𝑚 𝐶

Dónde:

∆𝐸 = cambio de energía ∆𝑚 = cambio de masa 𝐶 = velocidad de la luz = 3 × 1010 𝑐𝑚/𝑠

= energía = ergios o julios = masa = velocidad de la luz = 3 × 108 𝑚/𝑠 = 3 × 1010 𝑐𝑚/𝑠

Con más precisión: ∆𝐸 = ∆𝑚 × 𝐶 2

De acuerdo a la ecuación de Einstein, una cantidad definida de masa se convierte siempre en una cantidad definida de energía. La ecuación se vuelve más significativa cuando se comprende que 1 gramo de materia, si se convierte por completo en energía es suficiente para calentar una casa durante unos mil años. Para las reacciones químicas el cambio de energía resulta extremadamente pequeño cuando se lo compara con el cambio de energía en las reacciones nucleares. Las reacciones químicas son muy diferentes de las reacciones nucleares. Cuando el cambio relativo de energía es muy pequeño como ocurre en las reacciones químicas, cualquier cambio en la masa es demasiado pequeño para que se pueda detectar. Para todos los fines prácticos, la masa y la energía se conservan durante las reacciones químicas, no hay una conversión mensurable entra ambas. Como resultado del trabajo de Einstein, está claro que es necesario tratar la materia y la energía en forma conjunta en la “ley combinada de la conservación de la materia y la energía” que en términos sencillos podemos decir que la suma total de la materia y energía en el universo es constante.

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