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Materia
Introducción
Es evidente que la química es una ciencia que ha alterado el rumbo de
la civilización, desde la época de la alquimia hasta la química moderna;
los efectos de esta ciencia en el desarrollo de la civilización han sido muy
importantes, porque gran parte de las cosas necesarias para el bienestar y
progreso de la sociedad han sido desarrolladas por químicos.
El desarrollo de esta ciencia a través de los siglos no se ha interrumpido, ya
que día a día se añaden nuevos descubrimientos a los ya existentes como las
fibras textiles artificiales, el caucho artificial, polímeros, plásticos, medicinas
para curar diversas enfermedades, etc., que hacen de la química una ciencia
dinámica en constante evolución, y su expansión en las áreas científica y
económica de nuestra sociedad seguirá muchos años.
¿Qué es la Química?
La química es una ciencia experimental que estudia a la materia,
describiendo sus propiedades, composición, estructura y transformaciones
que experimenta.
¿Qué es la materia?
Es toda realidad objetiva que constituye el universo; tiene masa y extensión,
y su existencia es independiente de nuestros sentidos.
EJEMPLO:
Agua, sal de mesa, aire, alcohol, azúcar, etc.
Clasificación de la materia
UNIDAD 1
ELEMENTO COMPUESTO HOMOGÉNEA HETEROGÉNEA
SUSTANCIA MEZCLA
MATERIA
Elemento o sustancia simple
Es la materia conformada por átomos del mismo tipo.
Ejemplo:
Na, C, S, Al, Ag, H 2 , O 2 , etc.
Compuesto o sustancia compuesta
Es la materia conformada por átomos de diferentes elementos.
Ejemplo:
H 2 O, NaCl, NaOH, H 2 SO 4 , etc.
Mezcla homogénea o solución
Es la unión de dos o más sustancias puras, las cuales conforman una sola
fase.
Ejemplo:
Agua salada (H 2 O+NaCl), bronce (Cu+Sn), aire (N 2 , O 2 , H 2 , CO 2 , etc.)
Mezcla heterogénea
Es la unión de dos o más sustancias puras, las cuales conforman varias fases.
Ejemplo:
Agua + cocoa, humo, arena + sal de mesa, etc.
F ases de la materia
La materia se representa en el universo en 4 fases: sólido, líquido, gaseoso
y plasmático.
- Fase sólida
FA > FR
- Tienen volumen y forma definidos.
- Las partículas sólo experimentan movimiento vibratorio.
- Los sólidos son incompresibles.
- Fase líquida
FA = FR
- Tienen volumen definido y forma variable.
- Las partículas experimentan movimiento vibratorio y de traslación.
- Los líquidos son incompresibles.
Hierro (Fe)
F (^) A F (^) A
F (^) R F (^) R
Agua líquida (H 2 O)
F (^) R F (^) AF (^) A F (^) R
a) PROPIEDADES EXTENSIVAS
Cuando la magnitud de dicha propiedad depende de la cantidad de
sustancia presente.
Ejemplo:
Masa, volumen, peso, calor, etc.
b) PROPIEDADES INTENSIVAS
Cuando la magnitud de dicha propiedad es independiente de la cantidad
de sustancia presente.
EJEMPLO:
Densidad, temperatura, color, dureza, etc.
Propiedades químicas
Son aquellas propiedades que se manifiestan alterando la estructura o
composición de la sustancia por acción de otra(s) o de un agente energético.
Las propiedades química están referidas fundamentalmente a la reactividad
química de las sustancias.
EJEMPLOS:
El hierro (Fe) se oxida con el oxígeno (O 2 ) del aire, mientras que el oro (Au)
no se oxida.
El gas propano (C 3 H 8 ) es un combustible porque reacciona con el O 2 del aire,
mientras que el dióxido de carbono (CO 2 ) no es combustible.
Problemas
- Indique la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. Los gases forman mezclas homogéneas. II. El diamante es una sustancia simple. III. Las mezclas tienen composición química definida. IV. Los compuestos se pueden descomponer en elementos. A) VVVV B) VVVF C) FVFV D) VFFF E) VVFV
- Indicar el número de sustancias puras según: I. Ozono II. Glucosa III. Salmuera IV. Aire seco V. Benceno VI. Dióxido de carbono A) 2 B) 3 C) 4 D) 5 E) 6 3. Indicar cual de las siguientes alternativas es incorrecta: A) Sustancia simple : N B) Mezcla : Formol C) Compuesto químico: Amoniaco D) Solución : Bronce E) Sustancia pura : Acero 4. ¿Cuál de las siguientes mezclas no es una solución? A) Agua oxigenada. B) Latón C) Suero comercial D) Gas natural E) Humo 5. Determine el número de sustancias simples, sustancias compuestas y mezclas respectivamente: I. Ozono II. Hielo seco III. Ácido Muriático IV. Gas natural V. Grafito VI. Petróleo
VII.Platino VIII.Oro de 24 kilates IX. Etanol X. Bronce A) 5, 3 y 2 B) 3,3 y 4 C) 4,4 y 2 D) 3, 2 y 6 E) 4, 2 y 4
- Señale la verdad (V) o falsedad (F)
de las siguientes proposiciones: I. Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de sustancia. II. La magnitud de las propiedades intensivas son aditivas. III. Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de sustancia. A) VVV B) VVF C) VFV D) FFV E) FFF
- Identifique cuales son propiedades
intensivas y físicas a la vez. I. Peso II. Volumen III.Color IV.Densidad V. Temperatura de ebullición VI. Masa VII.Oxidabilidad A) IV, V, VI B) IV, V, VII C) III, V, VII D) III, IV, V E) I, II, VI
- Determine si los siguientes eventos
corresponden a un fenómeno físico (F) o fenómeno químico (Q) respectivamente. I. Dilatación de un metal. II. Evaporación de alcohol. III. La formación de herrumbe IV. Fermentación del jugo de manzana A) FQFQ B) QFQF C) FFQQ D) FQFF E) QQFF
- Relacione correctamente:
I. Agua oxigenada. II. Ácido fosfórico
III. Diamante a. Compuesto b. Sustancia simple c. Mezcla A) Ia,IIb,IIIc B) Ic,IIb,IIIa C) Ib,IIa,IIIc D) Ic,IIa,IIIb E) Ia,IIc,IIIb
- Una especie química o sustancia química pura necesariamente: A) Posee forma y volumen definido B) Posee propiedades variables según su composición C) Tiene composición y propiedades definidas y constantes. D) Se puede separar en sus componentes mediante procesos físicos. E) Esta formado por un solo tipo de elemento químico.
- Respecto a los alótropos del carbono, indique la alternativa incorrecta. A) El diamante presenta mayor densidad que el grafito. B) El grafito presenta brillo metálico y es buen conductor eléctrico. C) El diamante es utilizado en herramientas para cortar vidrios, metales, etc., debido a su alta dureza. D) En el grafito los átomos de c a r b o n o e s t á n d i s p u e s t o s tetraedricamente. E) El diamante no conduce la electricidad.
- Con respecto a los cambios de estados físicos de la materia, indique lo incorrecto. A) Sólido – líquido: fusión B) Gas – sólido : deposición C) Líquido – gas : vaporización D) Líquido – sólido : solidificación E) Gas líquido : condensación
Modelo Atómico Actual
Estructura atómica
El desarrollo de la teoría atómica actual se logró luego de una serie de
investigaciones que se realizaron desde los inicios del siglo XIX, lo que
permitió descubrir a las partículas que conforman los átomos.
Concepto actual del átomo
Es la porción de materia más pequeña de un elemento químico, que
conserva las propiedades de dicho elemento. Considerado como un sistema
energético en equilibrio, está constituido por una región central denominado
núcleo atómico, de pequeña dimensión pero de gran masa, donde están
ubicados los protones y neutrones; y una
región extranuclear, también denominada
nube electrónica, que es el espacio
prácticamente vacío de gran dimensión
que envuelve al núcleo atómico, donde se
encuentran los electrones en movimiento
en torno al núcleo.
Partículas subatómicas
Notas importantes:
1. En el núcleo atómico existen otras partículas subatómicas (mesones,
neutrinos, hiperones, etc.), pero los de mayor importancia química son
los protones y neutrones.
2. Los quarks son las porciones más pequeñas de la materia y son los que
conforman algunas partículas subatómicas.
3. En los átomos eléctricamente neutros, la cantidad de carga eléctrica
positiva (+) es igual a la cantidad de carga eléctrica negativa (–), es decir
se cumple:
# protones = # electrones (átomo neutro)
Átomo Núcleo atómico
Zona extranuclear o Nube electrónica
Partícula Masa (kg)
Masa (uma)
Carga eléctrica (C)
Carga eléctrica relativa
Descubridor
Electrón (e –^ ) 9,110·10 –31^ 0,0005 –1,6·10 –19^ –1 J. J. Thomson
Protón (p +) 1,672·10 –27^ 1,007 +1,6·10 –19^ +1 E. Rutherford
Neutrón (n^0 ) 1,675·10 –27^ 1,008 0 0 J. Chadwick
UNIDAD 2
ProPiedades imPortantes
- Número Atómico (Z)
Es una propiedad característica de cada elemento químico, cuyo valor
indica el número de protones existentes en el núcleo de un átomo.
Z = # protones = # p+
Para átomos eléctricamente neutros se cumple:
Z = # p+^ = # e–
EJEMPLO:
Para átomos neutros.
- Para el carbono: Z = 6 ; entonces tiene: 6 p+^ y 6 e–
- Para el calcio: Z = 20 ; entonces tiene: 20 p+^ y 20 e–
- Para el hierro: Z = 26 ; entonces tiene: 26 p+^ y 26 e–
- Número de masa (A)
Propiedad de cada átomo que indica el número de partículas
fundamentales del núcleo atómico.
A = # protones + # neutrones ⇒ A = Z + n
NOTACIÓN DE UN ÁTOMO NEUTRO
ó
Donde:
E : Símbolo del elemento correspondiente
Z : Número atómico o carga nuclear
A : Número de masa o número de nucleones
EJEMPLO:
Completar:
75 33
56 26
40 20
23 11
As
Fe
Ca Calcio 20 40
Na Sodio 11 23 11 11 12
NOTACIÓN ÁTOMODE Z A p+ e− n
Isótopos del cloro (Cl):
1735 Cl 1737 Cl
Cloro–35 Cloro–
- Isóbaros
Son átomos de diferentes elementos, que tienen igual número de masa
pero diferente número atómico y diferente número de neutrones.
(≠ Z ; = A ; ≠ n).
EJEMPLO:
(^4018) Ar (^4019) K (^4020) Ca
⇒ isóbaros
- Isótonos
Son átomos de diferentes elementos, que tienen igual número de
neutrones pero diferente número atómico y diferente número de masa.
(≠ Z ; ≠ A ;= n).
EJEMPLO:
115 B 126 C 137 N
⇒ isótonos
6 n° 6 n° 6 n°
Problemas
- R e s p e c t o a l a s p a r t í c u l a s
subatómicas, determine si las proposiciones son verdaderas (V) o falsas (F). I. La magnitud de la cantidad de carga eléctrica del protón y del electrón son iguales. II. La masa del neutrón es mucho mayor que la del protón y del electrón. III. Las únicas partículas subatómicas son el protón, neutrón y electrón. A) VVV B) VVF C) VFV D) FFV E) VFF
- ¿Cuál de las siguientes alternativas se cumple? A) El número de masa y la masa atómica son lo mismo.
B) El protón y neutrón tiene la misma estabilidad fuera del núcleo. C) En un elemento siempre el isótopo mas ligero es el más abundante. D) En todo átomo se cumple: z = # p+ = # e- E) Generalmente en un átomo el número de neutrones es mayor que el número de protones.
- Con respecto a los isótopos del hidrógeno, señale la alternativa incorrecta. A) El protio es el más abundante. B) El deuterio forma el agua pesada. C) El isótopo mas liviano no tiene neutrones. D) El tritio tiene dos protones y un neutrón. E) Los tres isótopos tienen las mismas propiedades químicas.
- Señale la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. La presencia de mesones, justifica la interacción nuclear intensa. II. Los isóbaros no tienen las mismas propiedades físicas. III. El isótopo C -14 es más estable que el isótopo C - A) VVV B) VVF C) VFV D) FVV E) FFF
5. Las siguientes especies: 4020 Ca^2 +^ y
39 1
19 K^
son entre si: A) Isótopos B) Isótonos C) Isóbaros D) Isóbaros e isoelectrónicos E) Isótonos e isoelectrónicos
- Al ionizarse el átomo de azufre (z=16)
hasta adquirir una cantidad de carga absoluta de -3,2x10-19C, se convierte en una especie isoelectrónica del ión x3+^ que contiene 24 neutrones. Hallar el número de masa de ión x1-. A) 42 B) 43 C) 44 D) 45 E) 46
- Para el ión E3+^ se cumple la siguiente relación:
0
# e 5
# n^6
−
Hallar la carga nuclear de E, si el número de nucleones fundamentales el 135. A) 60 B) 62 C) 63 D) 64 E) 66
- Respecto a los isótopos del hidrógeno señale la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. El agua pesada está constituido de deuterio y oxígeno. II. El isótopo más pesado tiene 2 neutrones. III. El protio, deuterio y tritio tienen las mismas propiedades físicas. IV. El único átomo que no tiene neutrones es el protio. A) VVVV B) VVVF C) VVFV D) FVFV E) VFVF 9. Indique la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. Los isótopos del mismo elemento son átomos idénticos. II. Los protones, neutrones y e l e c t r o n e s s o n p a r t í c u l a s elementales. III. Los isóbaros son especies q u í m i c a s d i f e r e n t e s q u e necesariamente tienen diferente número de electrones. A) VVV B) VVF C) FVV D) FVF E) FFF 10. Para las siguientes especies:
35 1
17 Cl^
− (^) y 45 3
21 Sc^
Determine la alternativa correcta. A) El anión posee 18 protones y tiene igual número de electrones que el catión. B) El catión tiene 5 neutrones más que el anión. C) Sus respectivos átomos neutros tienen el mismo número de protones. D) La suma de electrones de ambos iones es 36. E) Los nucleones fundamentales de ambos iones suman 78.
11. El átomo 5927 Co es isótono con un
átomo E de número de masa 61. Si el catión divalente de E es isoelectrónico con un átomo Q, determine el número de electrones del catión trivalente del último átomo. A) 23 B) 24 C) 27 D) 29 E) 30
- Un átomo neutro es isóbaro con
40
20 Ca^ e isoelectrónico con^
2
24 Cr^
. Si el primer átomo se oxida transfiriendo 2 electrones, hallar su número de electrones y neutrones. A) 22 y 20 B) 22 y 22 C) 24 y 18 D) 20 y 18 E) 20 y 20
Nube Electrónica
La teoría cuántica fue propuesta, en primer lugar, por Max Planck en 1900,
para explicar la radiación de un cuerpo caliente. Unos pocos años después,
en 1905, fue utilizado por Albert Einstein para tratar el efecto fotoeléctrico.
En 1913, Neils Bohr utilizó la teoría cuántica para desarrollar el modelo del
átomo de hidrógeno. Hoy en día, la teoría cuántica se aplica a todas las
interacciones de la materia con la energía para el estudio de los átomos.
El modelo cuántico del átomo se basa en los siguiente principios:
1. PRINCIPIO DUAL DE LA MATERIA
(Louis de Broglie, 1924): Toda partícula en movimiento, al igual que la
energía, lleva asociada una onda en su desplazamiento.
2. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
(Werner Heisemberg, 1927): No se puede conocer simultáneamente y
con exactitud la posición y la cantidad de movimiento de un electrón.
descriPción de la nube electrónica
1. Orbital o REEMPE
Son regiones espaciales energéticas que conforman la nube electrónica,
donde existe la más alta probabilidad de encontrar, como máximo, 2
electrones con sentido de giro contrarios.
# max e–^ = 2 (Orbital)
Según la forma espacial, los orbitales son:
- Orbital "s"
- Orbitales "p"
z
y
x
UNIDAD 3
z
y
x orbital px
z
y
x orbital py
z
y
x orbital pz
Según el número de electrones, los orbitales son:
↑↓ (2e–) Orbital lleno
Electrones apareados
↑_ (1e–) Orbital semilleno
Electrón desapareado
__ (0e–) Orbital vacío
- Subnivel o subcapa de energía ()
Son regiones espaciales conformados por un conjunto de orbitales del
mismo tipo.
Subnivel Nombre Número de Número de
electrones orbitales
s sharp 0 1 ó 2 1
p principal 1 1, 2, ... ó 6 3
d difuso 2 1, 2, ... ó 10 5
f fundamental 3 1, 2, ... ó 14 7
REGLAS PRÁCTICAS
a) Número máximo de electrones:
# max e–^ = 2(2 + 1) (subnivel)
b) Número de orbitales:
# orbitales = 2 + 1 (subnivel)
- Nivel o capa de energía (n)
Son regiones que rodean al núcleo atómico.
{
K
n=
L
n=
M
n=
N
n=
O
n=
P
n=
Q
n=
Núcleo
2e–^ 8e–^ 18e–^ 32e–^ 32e– (50e–)
18e– (72e–^ )
8e– (98e–)
AUMENTA ENERGÍA
AUMENTA ESTABILIDAD
( ) : Capacidad máxima de electrones.
Secuencia total:
Ejemplo:
6 C (#e
- (^) = 6) : 1s (^2) 2s (^2) 2p 6
11 Na (#e
Ne
1 s 2 2 s^22 p^63 s
ó [ 10 Ne] 3s^1
26 Fe^ :^
2 6
Ar
1 s 2 2 s^22 p^63 s^23 p^64 s 3 d
ó [ 18 Ar] 4s^2 3d^6
7 N
3– (#e– = 10) : 1s 2 2s 2 2p 6 ≡ [
10 Ne]
20 Ca
2+ (#e–=18) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ≡ [
18 Ar]
26 Fe
2+ : [
18 Ar] 3d
6
24 Cr^ : [ 18 Ar] 4s
1 3d 5
- Principio de máxima multiplicidad (Regla de Hund)
Determina la distribución de electrones en orbitales: "Al distribuir
electrones en orbitales del mismo subnivel, primero se ubica un electrón en
cada orbital y luego, de ser posible, se procede a aparearlos.
Ejemplos:
2p^2 : 3p^4 :
Ejercicio:
¿Cuántos orbitales llenos y semillenos tiene el átomo de nitrógeno (z = 7) en
su estado fundamental?
7 N^ : 1s
2 2s 2 2p 3 ⇒ 2 orbitales llenos
3 orbitales semillenos
Nivel Subniveles
1 s 2 2 s 2 3 s 2 4 s 2 5 s 2 6 s 2 7 s 2
p^6 p^6 p^6 p^6 p^6
d^10 d^10 d^10
f^14
p^6
d^10
f^14
1s^2 2s 2 2p^6 3s 2 3p^6 4s 2 3d^10 4p^6 5s 2 4d^10 5p^6 6s 2 4f 14 5d^10 6p^6 7s 2 5f 14 6d^10 7p^6
Energía relativa creciente
[ 2 He] [ 10 Ne] [ 18 Ar] [ 36 Kr] [ 54 Xe] [ 86 Rn]
Especies Isoelectrónicas
Son aquellas especies químicas diferentes que tienen la misma configuración
electrónica.
Ejercicio:
De las siguientes especies químicas: Ca (z = 20), Ti2+^ (z = 22), V3+^ (z = 23),
¿cuáles son isoelectrónicas?
20 Ca^ : [ 18 Ar] 4s
2
22 Ti
2+ : [
18 Ar] 3d
2
23 V
3+ : [
18 Ar] 3d
2
⇒ son isoelectrónicos el Ti2+^ y el V3+.
Problemas
- Con relación a la configuración
electrónica, determine la verdad (V) o falsedad (F) de las proposiciones: I. Se basa en el principio de AUFBAU. II. Se distribuyen todos los electrones que tiene la especie química. III. Conforme aumenta el nivel aumenta la energía y disminuye la estabilidad del electrón. A) VVV B) VVF C) VFV D) FVV E) VFF
- Con respecto a la zona extranuclear
indique la verdad (V) o falsedad (F) de las proposiciones: I. Es la que determina el tamaño de un átomo. II. Esta conformado por niveles, subniveles y orbitales. III. Contiene a electrones con la misma energía. A) VVV B) VVF C) VFV D) FVV E) FVF
- Determine la alternativa incorrecta:
A) La capa energética “N” puede admitir 18 electrones. B) El tercer nivel de energía tiene 3 subniveles. C) El subnivel “principal” tiene 3 orbitales.
D) Todo orbital lleno tiene 2 electrones. E) La capa energética “M” tiene 18 orbitales.
- Con respecto a la Mecánica Cuántica, señale la verdad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones: I. El electrón en su desplazamiento en torno al núcleo tiene un comportamiento corpuscular y ondulatorio. II. La posición del electrón en la zona extranuclear está preferentemente definido. III. El comportamiento del electrón está determinado por 4 parámetros numéricos denominados números cuánticos. A) VVV B) VVF C) VFV D) FVV E) FFF
- Señale la verdad (V) o falsedad (F) de las proposiciones: I. El cuarto nivel de energía se llena con 32 electrones. II. Un subnivel “difuso” con 8e-^ tiene 4 orbitales llenos. III. Un orbital “principal” admite como máximo 6 electrones. A) VVV B) VVF C) VFV D) VFF E) FFF
- Determine el número de masa de un átomo E que tiene 8 orbitales difuso ocupados y que además es isótono
con el ión 8838 M^2 +
A) 88 B) 91 C) 93
D) 95 E) 96
- Se tiene un catión trivalente cuya
configuración electrónica termina en 3d^5. Hallar su número de masa, si tiene 30 neutrones en su núcleo. A) 51 B) 53 C) 56 D) 57 E) 59
- La razón entre el número de protones
y el número de nucleones de un átomo es 7/16. Si presenta el máximo número atómico con dos subniveles principales llenos, hallar el número de neutrones. A) 40 B) 45 C) 55 D) 60 E) 65
- Un átomo neutro tiene en su capa energética “N” 14 electrones y en su núcleo el número de neutrones es mayor en doce unidades que el de protones. Determine su número de masa. A) 96 B) 98 C) 100 D) 102 E) 104
- Halle el átomo de mayor número de masa posible que solamente tiene 4 orbitales llenos en la capa energética “M”. Además su número de protones es menor en 5 que su cantidad de neutrones. A) 41 B) 45 C) 50 D) 53 E) 55
Claves 1 A 2 A 3 E 4 C 5 D 6 D 7 D 8 D 9 E 10 D 11 C 12 D 13 C 14 E 15 E 16 B 17 C 18 B 19 C 20 E
Tabla Periódica Actual
Luego de muchos intentos de clasificar a los elementos químicos según sus
propiedades, el físico inglés Henry Moseley descubrió la relación entre la
frecuencia de los rayos x emitidos por los elementos con sus respectivos
números atómicos, lográndose con ello, explicar la repetición periódica de
sus propiedades físicas y químicas.
Ley periódica actual (Henry Moseley)
Las propiedades físicas y químicas de los elementos son función periódica
de sus respectivas cargas nucleares, razón por la cual, ellos se ordenan en
la Tabla Periódica según su número atómico creciente.
Clasificación de los elementos según su configuración electrónica
Los elementos químicos cuya configuración electrónica termina en el mismo
subnivel, se ubican en un mismo sector de la tabla periódica.
Nota:
El Helio (He) es una excepción a esta clasificación, su configuración
electrónica es 1s^2.
Sector Denominación
s y p Elementos representativos
d Elementos de transición
f Elementos de transición interna
He
s d
p
f
UNIDAD 4
