Profesorado de Educación Secundaria en la modalidad Técnico Profesional QUÍMICA
UNIDAD 1 QUÍMICA Es la ciencia que estudia la composición, la estructura y las propiedades de la materia y los cambios que la afectan. Su objeto de estudio abarca todos los componentes del universo. La química cubre un campo de estudios bastante amplio, por lo que en la práctica se estudia de cada tema de manera particular. Las seis principales y más estudiadas ramas de la química son: Química inorgánica: síntesis y estudio de las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas de los compuestos formados por átomos que no sean de carbono (aunque con algunas excepciones). Trata especialmente los nuevos compuestos con metales de transición, los ácidos y las bases, entre otros compuestos. Química orgánica: Síntesis y estudio de los compuestos que se basan en cadenas de carbono. Bioquímica: estudia las reacciones químicas en los seres vivos, estudia el organismo y los seres vivos. Química física: estudia los fundamentos y bases físicas de los sistemas y procesos químicos. En particular, son de interés para el químico físico los aspectos energéticos y dinámicos de tales sistemas y procesos. Entre sus áreas de estudio más importantes se incluyen la termodinámica química, la cinética química, la electroquímica, la mecánica estadística y la espectroscopia. Usualmente se la asocia también con la química cuántica y la química teórica. Química industrial: Estudia los métodos de producción de reactivos químicos en cantidades elevadas, de la manera económicamente más beneficiosa. En la actualidad también intenta aunar sus intereses iniciales, con un bajo daño al medio ambiente. Química analítica: estudia los métodos de detección (identificación) y cuantificación (determinación) de una sustancia en una muestra. Se subdivide en Cuantitativa y Cualitativa. Materia Un incendio es una muestra más de que la química forma parte de nuestras vidas, hasta en este tipo de catástrofes. Para sofocarlo se utilizan diversos compuestos químicos que evitan el contacto del oxígeno atmosférico con el material que se quema. Las cenizas, los gases tóxicos, el agua y los disolventes son materia que puede participar en un cambio químico y liberar energía. Estos son los tres conceptos centrales de esta ciencia. Lic. José Galiano 1
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Identificamos materia como todo aquello que nos rodea que ocupa un lugar en el espacio (tiene masa, tiene volumen) e impresiona nuestros sentidos. La porción limitada de materia denominamos cuerpo. Material es todo aquello formado por materia. Los materiales pueden tener distinto origen: naturales o sintéticos. Los materiales naturales se obtienen de plantas y animales como algodón , lana o seda, etc. Los sintéticos no se obtienen directamente de seres vivos sino que se fabrican a partir de materias primas, por ejemplo del petróleo, por ejemplo el acrílico. Vivimos en un mundo material en el que los objetos tienen propiedades muy diversas. Estados de agregación Una primera forma de clasificar la materia es de acuerdo con la fase física o estado de agregación en que se encuentra: sólido, líquido o gaseoso. OBJETOS Hielo Sal Metal Agua Nafta Alcohol Vapor Butano Aire
PROPIEDADES
FASE
Ocupan volumen fijo y tienen forma definida.
SÓLIDA
Ocupan volumen fijo, pero conservan la forma del recipiente que los contiene.
LÍQUIDA
No tiene volumen fijo, ni una forma definida.
GASEOSA
Una explicación satisfactoria de la presencia de las tres fases en la materia se alcanzó en el siglo XIX, gracias al modelo cinético molecular, que indica que toda la materia está compuesta de partículas extraordinariamente pequeñas, que reciben el nombre de moléculas. Para dar una idea del tamaño de las moléculas basta indicar que una gota de agua hay mil trillones de moléculas. Esta gota podría subdividirse en dos, en cuatro, en ocho partes, y esa octava fracción sería una muestra de agua aún con una multitud de moléculas. Supongamos que esa subdividió prosigue. Cuando tuviéramos una sola molécula de agua, ésta no podría partirse sin que dejara de ser agua. Por eso decimos:
Molécula es la parte más pequeña en que puede ser dividida una sustancia sin que se forme una nueva sustancia. Las moléculas interactúan entre sí. De la magnitud de esa interacción, y de la temperatura de la muestra, depende que ésta se presente sólida, líquida o gaseosa. Lic. José Galiano 2
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Cuando las moléculas están fuertemente unidas y por lo general ordenadas de manera simétrica, tenemos un sólido.
Si las fuerzas intermoleculares son menores, la sustancia pierde rigidez: se trata de un líquido. Las moléculas del líquido se trasladan libremente, pero se encuentran cercanas unas de otras.
En un gas, la fuerza de atracción entre moléculas es menor y se presentan separadas y desordenadas.
Si bien la materia puede presentarse en diferentes estados, analizando de manera general podemos establecer que la materia, de acuerdo a la forma en que se presenta, se puede clasificar como:
Sustancia: es una forma de materia que tiene composición constante o definida y propiedades definidas. Por ejemplo: agua, azúcar, oro, etc. Las sustancias difieren entre sí por su composición y se pueden identificar por su aspecto, olor, sabor, y otras propiedades. Mezcla: es una combinación de dos o más sustancias en la cual éstas mantienen su identidad. Por ejemplo: aire, leche, cemento, etc.
La Energía Desde el punto de vista de la Química, el Universo está constituido por materia y energía. Es evidente que el hombre, para atender a sus necesidades, se ve obligado a producir objetos y bienes de muy variada índole, para lo cual debe disponer de energía. Si bien hablamos de la energía cotidianamente, resulta difícil definirla, aunque podemos concebirla como la capacidad de un cuerpo o sistema de cuerpos de producir trabajo. Lic. José Galiano 3
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Formas de energía La energía existe en diversas formas. El calor liberado por el fuego es energía, como lo es la energía eléctrica que enciende una lamparita de luz. La propia luz es energía luminosa o radiante, en tanto que el movimiento es producido por la energía mecánica. Otras formas de energía son la energía magnética, química, nuclear, gravitatoria, cólica, etcétera. Cuando un cuerpo está en reposo tiene energía acumulada que recibe el nombre de energía potencial, pero, en cuanto el cuerpo se mueve, dicha energía se transforma en otra que es propia de los cuerpos en movimiento: la energía cinética. Esta última es la responsable de que los cuerpos realicen movimientos de traslación, rotación, vibración, etc. Las transformaciones de la energía La energía puede transformarse con relativa facilidad de una forma en otra. Así, por ejemplo, el Sol irradia energía que llega a la Tierra en forma de luz y calor; una parle es reflejada y devuelta a la atmósfera y otra es absorbida de diferentes modos: por las plantas, en la fotosíntesis, transformándola en energía química que almacenan en los alimentos; por los mares, lagos y ríos evaporando el agua para llevarla a la atmósfera, etc. En muchos casos, el hombre controla y aprovecha la energía para diferentes usos, como ocurre cuando se construyen diques o represas, los cuales forman lagos donde se almacena la energía que posee el agua. El dique está situado en un lugar alto y la masa de agua que retiene puede caer; por lo tanto, tiene energía potencial gravitatoria. Al abrir las compuertas el agua desciende, su energía potencial disminuye pero adquiere movimiento, por lo cual va transformándose en energía cinética. El agua es guiada por canales y tuberías hasta la usina hidroeléctrica y al llegar a las turbinas, provistas de grandes paletas, hace girar las ruedas (la energía cinética del agua pasa a las turbinas). Luego las turbinas ponen en movimiento a los dínamos, transformando la energía cinética mecánica en energía eléctrica. La electricidad es conducida a casas y fábricas donde puede ser aprovechada para dar luz (energía luminosa), mover motores (energía mecánica), producir calor en estufas y planchas (energía calorífica), etc.
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En suma:
En toda transformación de la materia va implícita la intervención de la energía y viceversa. ¿Por qué y cómo ocurren los cambios de estado? Es conocido por todos que una misma sustancia puede encontrarse en cualquiera de los tres estados (sólido, líquido o gaseoso), según se le entregue o quite energía en forma de calor. Así, por ejemplo, se sabe que si al hielo se lo calienta se convierte en agua líquida y, por el contrario, si a ésta se la enfría, es decir, se le quita calor, se transforma en hielo. Aplicando la teoría cinético molecular antes expuesta se encuentra una explicación aceptable al hecho de los cambios de estado de la materia.
Fusión
Si a un sólido, cuyas moléculas se hallan vibrando en un punto fijo, se le suministra calor, dichas moléculas se moverán con mayor amplitud, luego saldrán de sus posiciones y empezarán a moverse en forma independiente, transformándose en un líquido. Este cambio del estado sólido al líquido recibe el nombre de fusión. Durante esta transformación, todo el calor provisto a la sustancia es; absorbido por las moléculas que lo utilizan para aumentar su movimiento, mientras que la temperatura permanece constante. Esta temperatura recibe el nombre de punto de fusión, el cual es constante y característico para cada sustancia.
Vaporización
Si al líquido obtenido se le sigue proveyendo calor, sus moléculas se moverán más rápidamente y comenzará a subirla temperatura del mismo. Algunas de las moléculas, ubicadas en la superficie libre de dicho líquido, absorberán energía cinética suficiente como para escapar de las otras y transformarse en vapor. Este pasaje lento de las moléculas superficiales del líquido al estado gaseoso (vapor) recibe la denominación de evaporación. Si se sigue calentando el líquido, la energía calorífica que se le proporciona se transforma en energía cinética y todas las moléculas llegan a tener energía suficiente como para pasar rápidamente al estado gaseoso en diferentes puntos de la masa líquida. Estas moléculas en estado de gas poseen menos densidad que el líquido y ascienden formando burbujas: es entonces cuando el líquido hierve. Este pasaje rápido de las moléculas de toda la masa líquida del estado líquido al gaseoso, se llama ebullición. Mientras sucede este cambio, la Lic. José Galiano 7
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temperatura no se modifica, permanece constante, y se denomina punto de ebullición, y es una propiedad intensiva para cada sustancia. Como se observa, el pasaje del estado líquido al gaseoso puede efectuarse por evaporación o por ebullición, denominándose en general vaporización. Los cambios de sólido a líquido y de éste a gas, ocurren cuando se suministra energía calorífica a las sustancias, pero también suceden en orden inverso cuando se les quita dicha energía y disminuye la tempera-tura.
Licuación
En un gas las moléculas se encuentran en permanente movimiento de traslación desordenado, pero al disminuir la temperatura, o sea, quitarle energía, disminuye la velocidad de las moléculas, se aproximan entre sí y se manifiestan más las fuerzas de cohesión intermoleculares hasta transformarse en una masa líquida. Este cambio del estado gaseoso al líquido se denomina licuación o condensación.
Solidificación
Al reducir la temperatura de un líquido, va a transformarse en sólido. Al quitarle energía, las moléculas se mueven cada vez más lentamente hasta quedar oscilando alrededor de un punto fijo; entonces, adquieren las características propias de los sólidos. Esta transformación del estado líquido al sólido recibe el nombre de solidificación y durante este proceso la temperatura permanece constante y se denomina punto de solidificación. Este punto, en cada sustancia, coincide con el punto de fusión.
Sublimación
Además de los cambios antes señalados, en algunas sustancias, como el yodo, la naftalina y el alcanfor, se observa el pasaje directo del estado sólido al gaseoso y viceversa, sin pasar por el estado líquido. Este doble proceso se identifica con el nombre de sublimación. Hasta ahora se ha mencionado como única causa de los cambios de estado, la adquisición o pérdida de energía calorífica, pero es importante señalar la influencia que puede ejercer la presión que soportan las sustancias, pues su aumento o disminución provoca el acercamiento o el alejamiento de las moléculas entre sí, con la consiguiente acción sobre el estado físico. La influencia de la presión exterior resulta muy evidente en los procesos de licuación y vaporización. Así, por ejemplo, el aire sometido a altas presiones y bajas temperaturas se transforma en aire líquido; el agua hierve a menos de 100 °C de temperatura cuando la presión atmosférica es más baja de lo normal, como sucede cuando se asciende a una montaña.
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En suma:
El estado de agregación de una misma sustancia depende de la temperatura y de la presión en que se encuentra.
AUMENTO DE TEMPERATURA
VOLATILIZACIÓN FUSIÓN
VAPORIZACIÓN (evaporación o ebullición)
SÓLIDO
LÍQUIDO
SOLIDIFICACIÓN
VAPOR GAS
CONDENSACIÓN O LICUACIÓN
SUBLIMACIÓN
DISMINUCIÓN DE TEMPERATURA
SISTEMAS MATERIALES Es evidente que resulta imposible estudiar en forma simultánea todas las formas, características y propiedades de la materia que nos rodea, para ello debemos aislar de modo real o imaginario un conjunto de objetos, o uno de ellos o una fracción para su estudio. Cada una de estas porciones del universo presentan una organización más o menos intrincada, pero siempre compleja, y constituyen diferentes sistemas. Cuando dichas porciones, son sometidas a un estudio experimental, reciben el nombre de sistemas materiales.
Sistema Material: es toda porción del universo aislado con fines de estudio. Universo: es todo lo que rodea al sistema material incluido éste. Medio ambiente: es todo lo que rodea al sistema material excluido éste.
Cuando se observa un sistema material debe prestarse atención al medio que lo rodea, sin olvidar que entre ambos existe una pared que en algunos casos es visible en otros no. Aún así, tal pared es importante, porque permite considerar el pasaje de masa y/o de energía del sistema al medio o viceversa. De acuerdo con ello, el criterio de intercambio de masa y energía entre el sistema material y el medio que lo rodea, los sistemas se clasifican en: Lic. José Galiano 9
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Abiertos: aquellos donde hay transferencia de masa y energía entre el sistema y el medio.
MASA
Ejemplo: agua hirviendo en un jarro sin tapa Sistema: Agua hirviendo Medio ambiente: jarro sin tapa
Cerrados: aquellos donde sólo hay intercambio de energía entre el sistema y el medio.
Ejemplo: agua hirviendo en un jarro herméticamente cerrado Sistema: agua hirviendo Medio ambiente: jarro herméticamente cerrado
Aislados: aquellos donde prácticamente no hay intercambio ni de masa ni de energía del sistema al medio o viceversa.
Ejemplo: termo Sistema: líquido Medio ambiente: vaso térmico con tapa
ABIERTO ENERGÍA
CERRADO ENERGÍA
AISLADO
Otro criterio clasificador de los sistemas materiales es considerando sus propiedades intensivas.
PROPIEDADES Intensivas: Son aquellas que NO dependen de la cantidad de materia considerada. Ejemplo: punto de ebullición, punto de fusión, etc. Extensivas: Son aquellas que SI dependen de la cantidad de materia considerada. Ejemplo: masa, volumen, densidad, etc. En base a ello podemos distinguir: Sistemas Homogéneos: aquellos cuyas propiedades intensivas tienen valores constantes en cualquier zona del mismo. Por ejemplo: agua líquida, un trozo de hierro, etc. Sistema Heterogéneos: aquellos en los que encontramos variación en los valores de las propiedades intensivas. Por ejemplo: agua y aceite. El último criterio para clasificar lo sistemas materiales es en base a sus componentes o número de fase: Lic. José Galiano 10
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FASE Porción de materia con composición y propiedades uniformes. Sistemas Homogéneos: aquellos constituidos por una sola fase. Por ejemplo: agua salada, alcohol, oro, etc. A su vez un sistema homogéneo se clasifica de acuerdo en sus componentes en: sustancia pura o solución. Los sistemas homogéneos formados por un solo componente se denomina sustancia pura. De la que podemos distinguir dos clases, aquellas que pueden descomponerse mediante métodos químicos en otras más simples se denominan sustancias compuestos o simplemente compuestos. Por ejemplo: el agua que se descompone en hidrógeno y oxígeno. Otras como el oxígeno, el hidrógeno, el hierro, etc. no se pueden descomponer y se las llama sustancia simple o elemento químico. Esta es la forma más sencilla en que puede presentarse la materia. Los sistemas homogéneos formados por más de un componente que pueden separarse por métodos químicos, cuya apariencia es totalmente uniforme, de una sola fase, se denominan soluciones. En nuestro ejemplo el agua salada. La proporción de los componentes de una solución pueden variar arbitrariamente. Sistema Heterogéneos:
aquellos constituidos por más de una fase cuyas propiedades locales varían en diferentes puntos de la muestra. Por ejemplo: agua con hielo, aceite y vinagre, etc.
Las fases tienen límites claros, definidos, que pueden notarse a simple vista o mediante instrumentos ópticos (lupa, microscopio). A estos limites o superficies de discontinuidad los llamamos interfases.
Además existe otra clase de sistemas materiales menos frecuentes. Estos sistemas se denominan inhomogéneos en los cuales las interfases son imprecisas y no están bien determinadas. Por ejemplo, si colocamos un trozo de remolacha en un recipiente con agua veremos zonas de diferente intensidad de color sin interfases definidas.
Métodos de Separación y Fraccionamiento Los sistemas materiales también se pueden clasificar según los métodos experimentales: de separación de fases para sistemas heterogéneos y de fraccionamiento para sistemas homogéneos.
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Volumen Molar El volumen que ocupa un mol de cualquier sustancia se denomina volumen molar. Así, volumen molar es el volumen ocupado por cualquier sustancia, que
en estado gaseoso y en condiciones normales (CNTP) de temperatura (0 ºC) y presión (1 atm) ocupa 22,4 L. Estequiometría de la molécula En química, la estequiometría (del griego, stoicheion, 'elemento' y métrón, 'medida') es el cálculo entre relaciones cuantitativas entre los reactantes y productos en el transcurso de una reacción química. Las primeras aproximaciones a la estequiometría se da en la relación entre masas, números de partículas, volumen molar, etc.
CO2
1 mol de moléculas de dióxido de carbono 6,02 . 1023 moléculas de dióxido de carbono 3 mol de átomos de dióxido de carbono 3 x 6,02 . 1023 átomos de dióxido de carbono 1 mol de átomos de carbono 6,02 . 1023 átomos de carbono 2 mol de átomos de oxígeno 2 x 6,02 . 1023 átomos de oxígeno 12 g de carbono + (16 x 2)g de oxígeno = 44 g de CO2 22,4 L en CNTP
¿Cuánto será la masa de un mol de átomos de Fe? 1 mol de átomos de Fe = 55.8 g (según Tabla Periódica)
La masa de un mol de átomos de una sustancia simple es igual a su masa atómica expresada en gramos.
¿Cuántos g pesan 1 mol de moléculas de oxígeno gaseoso (O2)? 1 mol de moléculas de O2 16 x 2 = 32 g (según Tabla Periódica)
La masa de un mol de moléculas de una sustancia simple es igual a su masa molecular expresada en gramos.
¿Cuántos moles representan 112g de Fe? 56 g de Fe
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1 mol de moléculas de Fe (según Tabla Periódica)
112 g de Fe
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x=
112 x 1 = 2 mol 56
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