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Tema 1.1 Asignatura: Química. Estudios: Biología. Universidad: UV (Universitat de València)
Typology: Study notes
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PROPIEDADES, CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios en su composición (reacciones) y la energía asociada a estos cambios.
MATERIA: todo aquello que ocupa espacio, tiene masa y posee inercia.
Propiedades de la materia:
PROPIEDADES FÍSICAS: Características observables que presenta la materia y que NO implican un cambio en su composición. Ejemplo: Forma, color, olor, dureza, fragilidad, masa, volumen, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, etc.
PROPIEDADES QUÍMICAS: Propiedades de la materia relacionadas con su capacidad para experimentar un cambio en su composición o provocar un cambio de composición en otra porción de materia.
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Propiedades físicas -color anaranjado -brillante -excelente conductor del calor y la electricidad -dúctil y maleable -punto de fusion 1083 °C
Propiedades químicas -baja reactividad (estabilidad química) -su superficie se oxida lentamente en contacto con el aire
PROPIEDADES, CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Durante un cambio físico una sustancia cambia sus propiedades físicas pero no su composición, es decir, la identidad de la sustancia no cambia. Ejemplos: todos los cambios de estado (entre sólido, líquido y gas) son procesos físicos. Los cambios de forma también son cambios físicos.
Fusión
Solidificación
5
Martillear un lingote de oro hasta darle forma de láminas son cambios físicos
PROPIEDADES, CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
En un cambio químico (o reacción química) una sustancia se transforma en otra químicamente diferente (cambia su composición)
Disolución de una moneda de cobre en ácido nítrico concentrado
Cu(s) + 4 HNO 3 (aq) Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO 2 (g) + 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 2 H 2 O + q
PROPIEDADES, CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
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PROPIEDADES, CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Clasificaciones de la materia
gas
líquido
sólido
Clasificaciones de la materia: estados de la materia
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plasma
ionización
desionización
Clasificaciones de la materia: estados de la materia
Clasificaciones de la materia: estados de la materia
Ej. Estados físicos del agua:
vapor de agua agua líquida
hielo
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Clasificaciones de la materia: estados de la materia
Fusión
Solidificación
Calor de fusión: Cantidad de calor necesaria para fundir 1 g de sólido a la T de su punto de fusión. O también, cantidad de calor liberada al congelarse 1 g de sólido, a su T de congelación.
Calor de vaporización: Calor necesario para pasar 1 g de líquido a estado gaseoso, a la T de ebullición del líquido
Ej: para el agua a 0 ºC el calor de fusión es de 80 cal/g o 334 J/g
Cambios de estado: calores de fusión y de vaporización
Sustancias puras : tienen composición fija y propiedades definidas. Ej. el agua, la sal de mesa común (cloruro sódico)…
Mezclas : Formadas por combinaciones de dos o más sustancias puras que mantienen sus identidades químicas.
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Clasificaciones de la materia: Composición química
Elementos : no pueden descomponerse en sustancias más simples por medios físicos o químicos. A nivel molecular, cada elemento se compone de un solo tipo de átomo. Ej. el oxígeno (O 2 ), el hidrógeno (H 2 )…
Los nombres y símbolos de los elementos aparecen en la TABLA PERIÓDICA.
Sustancias puras: Elementos
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Elementos esenciales para la vida
Sustancias puras: Elementos
Compuestos : están formados por dos o más elementos siempre en la misma proporción (contienen dos o más tipos de átomos). Ej. el agua, el amoniaco…
Los compuestos pueden descomponerse en sus elementos por medios químicos.
Ej. Electrólisis del agua
Sustancias puras: Compuestos
Mezclas : Combinaciones de dos o más sustancias puras que mantienen sus identidades químicas. La composición de una mezcla puede variar de unas muestras a otras y sus propiedades pueden no ser uniformes. Ej. el aire, la gasolina…
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Mezclas: Tipos y métodos de separación
Aire, mezcla homogénea de varios gases: nitrógeno N 2 , oxígeno O 2 y argón Ar
Latón, mezcla homogénea sólida de cobre, Cu y cinc, Zn
Sal disuelta en agua, mezcla homogénea que contiene: iones sodio Na+^ y cloro Cl - entre moléculas de agua H 2 O
Mezclas homogéneas o disoluciones : Su composición y propiedades son uniformes en todos sus puntos.
Mezclas heterogéneas : No tienen la misma composición, apariencia y propiedades en todos sus puntos.
limadura de hierro en arena agua y yoduro potásico
granito: cuarzo, feldespato y mica negra
Mezclas: Tipos y métodos de separación
Separación de mezclas: Las sustancias puras de una mezcla (componentes) pueden
separarse por medios físicos aprovechando las diferencias en sus propiedades.
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Mezclas: Tipos y métodos de separación
Mezclas heterogéneas:
Filtración Decantación
Extracción con disolventes Centrifugación
Mezclas homogéneas:
Destilación Cristalización Cromatografía
Según Demócrito, el mundo material está formado por partículas indivisibles llamadas átomos (“sin-partes”), partículas diminutas que están siempre en movimiento y que son eternas.
ESTRUCTURA ATÓMICA. PRINCIPALES HITOS HISTÓRICOS
Dalton afirmó que las unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, y que éstos se unían entre sí en proporciones definidas para formar compuestos.
Consta de cuatro postulados básicos:
O N
2 O (^) N NO 2
NO
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Thomson estudió los rayos catódicos haciéndolos pasar entre las placas de un condensador y sometiéndolos así a la acción de un campo eléctrico. Observó que los rayos se desviaban hacia la placa positiva del condensador.
En 1897 Thomson concluyó que los rayos catódicos son un haz de partículas de carga negativa y calculó que tenían una relación carga/masa de 1.76 10^8 C/g. Estas partículas son los electrones.
Modelo atómico de Thomson (1904):
Considera el átomo como una esfera compacta con carga positiva en la que los electrones, partículas fundamentales de carga negativa, se hallan incrustados (por dentro y por fuera), como las pasas en un plum-cake.
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Postuló que casi toda la masa del átomo y su carga positiva residían en una región muy pequeña y extremadamente densa, el núcleo. Casi todo el volumen del átomo es un espacio vacío en el que los electrones se mueven girando en órbitas alrededor del núcleo.
Ernest Rutherford y colaboradores bombardearon con partículas α (núcleos de He, con carga positiva) una lámina muy fina de oro, observando que la mayor parte de las partículas la atravesaban sin desviarse, unas pocas sufrían una desviación acusada y algunas llegaban a rebotar.
Niels Bohr
Niels Bohr (premio Nobel de física en 1922) fue un físico danés, discípulo de Rutherford. En 1913 propuso un nuevo modelo atómico para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentan espectros de emisión característicos. El modelo de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización introducidas por Max Planck y Albert Einstein.
Bohr postuló que el átomo estaba formado por un pequeño núcleo positivo en el centro alrededor del cual giraban los electrones en órbitas circulares, con las siguientes peculiaridades:
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Electrones (onda/partícula) ocupando regiones del espacio alrededor del núcleo (orbitales), cuya forma, tamaño y energía viene definida por una serie de números cuánticos (n, l y m)
Angstrom (Å) = 10-10^ m
Chemistry: An Introduction to General, Organic, and Biological Chemistry, Eleventh Edition Copyright © 2012 by Pearson Education, Inc.
Átomos: Formados por un núcleo, compuesto por protones y neutrones, a cuyo alrededor se disponen los electrones, los cuales se mueven en regiones del espacio muy grandes (en comparación con el tamaño del núcleo) y vacías, y con energías muy definidas.
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NÚMERO ATÓMICO (Z) = número de protones en el núcleo del átomo.
NÚMERO DE MASA o NÚMERO MÁSICO (A) = número total de protones y neutrones.
X
ISÓTOPOS = átomos que tienen el mismo Z pero distinto A, es decir, tienen mismo número de protones (y electrones) pero distinto número de neutrones.
En un átomo neutro, el número de protones = Z = número de electrones. A – Z = número de neutrones. No todos los átomos de un elemento dado tienen la misma masa.
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Algunas definiciones:
En la Tabla periódica los elementos se ordenan en función de su número atómico.
Metales alcalinos
Metales alcalinotérreos
Metales de transición
Grupos principales
Grupos principales (^) Lantánidos y Actínidos
Halógenos
TABLA PERIÓDICA Gases nobles
La materia tiene masa. La masa es una magnitud relacionada con la cantidad de materia que tiene un objeto, es decir podemos medirla.
Los átomos son partículas pequeñas de materia, por lo que tienen masa, si bien extremadamente pequeña. Ej. la masa del átomo más pesado que se conoce es de aproximadamente 4 x 10-22^ g.
1 uma = 1.66054 x 10-24^ g
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MEDIDA DE LA MATERIA. LA ESCALA DE MASA ATÓMICA
MASA ATÓMICA o PESO ATÓMICO = media de las masas de los isótopos naturales de
un elemento ponderada de acuerdo a su abundancia relativa.
La unidad de masa atómica ( uma ) se define como exactamente 1/12 de la masa de un átomo de 12 C
1 átomo de 12 C = 12 uma
P. ej, la masa atómica del carbono es 12.011 uma , un promedio de las masas de los isótopos naturales del C según su abundancia relativa: 12 C (98,89 %) y 13 C (1,11 %)
El peso formular (PF) de una sustancia es la suma de los pesos atómicos de cada uno de los átomos en su fórmula química. Ej. PF de H 2 SO 4 = 2(PA de H) + (PA de S) + 4(PA de O) = 2(1.008 uma) + 32.06 uma + 4(15.999 uma) = 98.07 uma
MOLÉCULAS Y FÓRMULAS QUÍMICAS
El MOL es la unidad que se emplea en química para manejar (o contar) el número de átomos, iones o moléculas de una muestra de tamaño común.
Un mol es la cantidad de materia que contiene tantos objetos (átomos, moléculas, etc.) como número de átomos que hay en exactamente 12 g de 12 C, que son 6.0221421 x 10^23 átomos.
número de Avogadro (NA) NA = 6.022 x 10^23 mol-
1 mol de átomos de 12 C = 6.022 x 10^23 átomos de 12 C 1 mol de moléculas de H 2 O = 6.022 x 10^23 moléculas de H 2 O 1 mol de iones NO 3 -^ = 6.022 x 10^23 iones NO 3 -
Ejemplos:
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CONCEPTO DE MOL Y EL NÚMERO DE AVOGADRO
Un mol siempre es el mismo número de unidades (6.022 x 10^23 ), pero 1 mol de
diferentes sustancias tendrá masas diferentes.
La masa atómica de un elemento (en uma ) es numéricamente igual a la masa (en gramos ) de 1 mol de ese elemento.
1 átomo de 12 C tiene una masa de 12 uma 1 mol de átomos de 12 C tiene una masa de 12 g.
1 átomo de Au tiene un peso atómico de 197 uma
1 mol de Au tiene una masa de 197 g.
Ejemplos:
CONCEPTO DE MOL Y EL NÚMERO DE AVOGADRO
Para cualquier otra clase de sustancia pura existe la misma relación numérica entre su peso formula (en uma ) y la masa (en gramos ) de un mol de esa sustancia.
1 molécula de H 2 O tiene una masa de 18.0 uma 1 mol de H 2 O tiene una masa de 18.0 g.
Ejemplos:
1 unidad de NaCl tiene una masa de 58.5 uma 1 mol de NaCl tiene una masa de 58.5 g.
La masa en gramos de un mol de sustancia se conoce como masa molar de la sustancia. La masa molar (en g/mol) de cualquier sustancia siempre es igual numéricamente a su peso formular (en uma).
Ejemplo: la masa molar del NaCl es 58.5 g/mol
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CONCEPTO DE MOL Y EL NÚMERO DE AVOGADRO
1 mol de C 6 H 12 O 6 = 180.0 g de C 6 H 12 O 6
Moles de C 6 H 12 O 6 = (5.380 g C 6 H 12 O 6 )
1 mol C 6 H 12 O 6 180.0 g C 6 H 12 O 6
= 0.02989 mol C 6 H 12 O 6
CONCEPTO DE MOL Y EL NÚMERO DE AVOGADRO
= (5.23 g C 6 H 12 O 6 )
1 mol C 6 H 12 O 6 180.0 g C 6 H 12 O 6
= 1.75 x 10^22 moléculas de C 6 H 12 O 6
6.02x10^23 moléculas de C 6 H 12 O 6
1 mol C 6 H 12 O 6
Moléculas de C 6 H 12 O 6
Átomos de O = (1.75 x 10^22 moléculas de C 6 H 12 O 6 )
6 átomos O 1 molécula de C 6 H 12 O 6 = 1.05 x 10^23 átomos de O
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CONCEPTO DE MOL Y EL NÚMERO DE AVOGADRO
porcentaje en masa con el que contribuye cada elemento a la sustancia.
2 x (12.01 g) 46.07 g
x 100% = 52.14%
6 x (1.008 g) 46.07 g
x 100% = 13.13%
1 x (16.00 g) 46.07 g
x 100% = 34.73%
COMPOSICIÓN PORCENTUAL Y FÓRMULA EMPÍRICA
n K = 24.75 g K x (^) = 0.6330 mol K
1 mol K 39.10 g K
n Mn = 34.77 g Mn x = 0.6329 mol Mn
1 mol Mn 54.94 g Mn
n O = 40.51 g O x (^) = 2.532 mol O
1 mol O 16.00 g O
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COMPOSICIÓN PORCENTUAL Y FÓRMULA EMPÍRICA
n K = 0.6330 moles
n Mn = 0.6329 moles n O = 2.532 moles
Mn :
KMnO 4
COMPOSICIÓN PORCENTUAL Y FÓRMULA EMPÍRICA
Fórmula empírica se obtiene a partir de la composición porcentual de cada uno de los elementos del compuesto orgánico.
Fórmula molecular se obtiene conociendo además el peso molecular (PM), y determinando así el valor de n.
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COMPOSICIÓN PORCENTUAL Y FÓRMULA EMPÍRICA
Ejemplo: (CH 2 O)n
Ejemplo: para la fórmula empírica (CH 2 O)n
Si n= 1 CH 2 O (formaldehído) Si n = 6 C 6 H 12 O 6 (glucosa)
2 carbonos en el lado izquierdo
1 carbono en el lado derecho
Comenzar con C o H pero no con O.
Multiplicar CO 2 por 2
6 hidrógenos en el lado izquierdo
2 hidrógenos en el lado derecho Multiplicar H 2 O por 3
ECUACIONES QUÍMICAS
2 oxígenos en el lado izquierdo
7 oxígenos en el lado derecho
Multiplicar O 2 por 7/ 2
Multiplicar toda la ecuación por 2
Ecuación química balanceada 41
ECUACIONES QUÍMICAS
Los coeficientes de una ecuación química indican tanto el número relativo de
moléculas en la reacción, como los números relativos de moles.
Moléculas: 2 1 2 moléculas
2 mol H 2 ≡ 1 mol O 2 ≡ 2 mol H 2 O
Estas relaciones estequiométricas se utilizan para convertir entre cantidades de reactivos y productos en una reacción química.
Masa (uma): 4.0 uma + 32.0 uma 36.0 uma
Cantidad (mol): 2 mol + 1 mol 2 mol
Masa (g): 4.0 g + 32.0 g 36.0 g
ECUACIONES QUÍMICAS
Coeficientes en la ecuación
Masa molar H 2 O
Masa molar CH 3 OH
209 g CH 3 OH
1 mol CH 3 OH 32.0 g CH 3 OH
x
4 mol H 2 O 2 mol CH 3 OH
x
18.0 g H 2 O 1 mol H 2 O
x = 235 g H 2 O
gramos CH 3 OH
moles CH 3 OH
moles H 2 O
gramos H 2 O
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ECUACIONES QUÍMICAS
Ejemplo:
NO es el reactivo limitante
O 2 es el reactivo en exceso
Reactivo que se consume totalmente en una reacción
Es el reactivo que está en defecto (reactivo que se consumiría totalmente si la reacción fuese cuantitativa) Para saber cuál es necesitamos conocer la estequiometría de la reacción y los moles de cada uno de los reactivos.
ECUACIONES QUÍMICAS
124 g Al
1 mol Al 27.0 g Al
x
1 mol Fe 2 O 3 2 mol Al
x
x = 367 g Fe 2 O 3
Para 124 g de Al se necesitan 367 g de Fe 2 O 3 Como hay más Fe 2 O 3 (601 g), Al es el reactivo limitante
Se utiliza el reactivo limitante para calcular la cantidad de producto que se puede formar:
124 g Al
1 mol Al 27.0 g Al
x
1 mol Al 2 O 3 2 mol Al
x
x =^ 234 g Al 2 O 3
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ECUACIONES QUÍMICAS
Moles teóricos de producto: es la cantidad de producto (en moles) que se obtendría si todo el reactivo limitante se consumiera (reacción cuantitativa)
Moles reales: es la cantidad de producto que realmente se obtiene de la reacción (en moles). Casi siempre es menor (nunca mayor) que los moles teóricos.
El rendimiento de una reacción (en %) relaciona los moles reales obtenidos con los moles teóricos (calculado):
ECUACIONES QUÍMICAS
Reacciones en disolución.
Cantidad de soluto disuelta en una cantidad dada de disolvente.
Unidades de concentración
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Reacciones en disolución. Expresión de
concentraciones