Conceptos básicos de química., Apuntes de Química Aplicada

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DOCENTE:

INVESTIGACION

“CONCEPTOS BASICOS DE QUIMICA”

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

CAMPUS APIZACO

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Mar r oquí n

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Introducción

1 Materia: Estructura, composición, estados de agregación y clasificación por propiedades.

1.1.1 Sustancias puras: elementos y compuestos.

1.1.2 Dispersiones o mezclas.

1.1.3 Caracterización de los estados de agregación: sólido cristalino, líquido, sólido, vítreo y gel.

1.1.4 Cambios de estado.

1.1.5 Clasificación de las sustancias naturales por semejanzas en: propiedades físicas, propiedades químicas.

ó ó

COMPOSICION

Las propiedades y el comportamiento de un material son consecuencia de su constitución y su estructura. La constitución está formada por las partículas elementales, átomos y moléculas, así como el modo de estar unidos, llamados enlaces Las partículas elementales son los constituyentes elementales de la materia, es decir, son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna, denominados átomos. El átomo está formado por: el neutrón, el electrón, el protón:

 protones: masa 1, carga +, localizados en el núcleo.

 neutrones. masa 1, sin carga, localizados en el núcleo.

 electrones: masa despreciable, carga negativa, localizados en la corteza.

Las principales características de las partículas elementales son: la carga, la masa y la vida media.

El átomo en química y física, es la unidad más

pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

imagen 1.1 partes del átomo 1

imagen1.2 Tabla de partículas elemental 1

Imagen 1.3 representación gráfica de un átomo

El neutrón: es una partícula sin carga eléctrica (pero con

momento magnético). Éste junto con los protones, forman los núcleos atómicos. El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos (la única excepción es el hidrógeno), ya que interactúa fuertemente atrayéndose con los protones, pero sin repulsión electrostática.

El electrón : Es representado por el símbolo e− , es una

partícula subatómica con una carga eléctrica elemental negativa. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones.

El protón es representado por el símbolo e+ , es una partícula

subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1,602 176 487 × 10–19 culombios y una masa 1,672 621 637 × 10–27 kg (1.836 veces la masa de un electrón). Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años. El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos.

Las moléculas en química son las partículas neutras formadas por un conjunto estable de al menos dos átomos enlazados covalentemente.

Y un ión es una partícula cargada, constituida por un átomo o molécula que no es eléctricamente neutra. Es decir, que a partir de un estado neutro, ha ganado o perdido electrones, y este fenómeno se conoce como ionización. Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo y tienen carga eléctrica negativa) y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que son atraídos por el cátodo y tienen carga eléctrica positiva).Un ion conformado por un solo átomo se denomina ion monoatómico, a diferencia de uno conformado por dos o más átomos, que se denomina ion poliatómico.

Imagen 1.4 representación gráfica de un neutrón

Imagen 1.6 representación gráfica de un protón

Imagen 1.5 representación gráfica de un electrón

La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas o iones en el espacio, así como de las fuerzas de interconexión de las partículas:

• Estado amorfo: Las partículas componentes del sólido se agrupan al azar.
• Estado cristalino: Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se iones) que componen el sólido se disponen disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional. Los metales, las aleaciones y Los metales, las aleaciones y determinados determinados materiales cerámicos tienen estructuras cristalinas.

Los átomos que pertenecen a un Los átomos que pertenecen a un sólido cristalino sólido cristalino se pueden representar situándolos en una red tridimensional, que se denomina retículo espacial o cristalino. Este retículo espacial se puede definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias. La celda unitaria de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de caras prismas con tres conjuntos de caras paralelas paralelas

Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de tres tipos:

a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros : punto de fusión elevado, duros y muy frágiles, co y muy frágiles, conductividad nductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ej: NaCl (sal NaCl (sal común)

b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar deformarlos se rlos se fracturan). Ej: Diamante fracturan). Ej: Diamante

c) Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y : Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos eléctricos. No son. No son tan duros

Imagen 1.9 estructura cristalina

como los anteriores, aunque si tan duros como los anteriores, aunque si maleables y maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre,... dúctiles. Hierro, estaño, cobre

Según la posición de los átomos en los vértices de la celda unitaria de la red cristalina existen 14 redes de Bravais las cuales se subdividen en siete grupos o estructuras de acuerdo a la geometría de las celdas, estos siete

1 - Cúbico

2 - Tetragonal

3 - Ortorrómbico

4 - Trigonal-Hexagonal

Cada una de estas estructuras definen una celda unitaria, siendo esta la porción más pequeña que conserva la disposición geométrica de los átomos en el cristal.

Redes cúbicas : Consta de la red cúbica simple o cúbica P, red cúbica centrada

en las caras o red cúbica F y la red cúbica centrada en el cuerpo o red cúbica Todas las redes cúbicas tienen los tres parámetros de red correspondientes a las direcciones x, y, z del mismo valor: a = b = c

Red cúbica P : Es conveniente resaltar que los átomos se representan por

esferas cuyos centros están en los vértices de la celda unitaria cúbica P. En el caso de la red cúbica P el número de átomos por celda es 1, debido a que en cada vértice sólo la octava parte del átomo está dentro de la celda unitaria, entonces 8*⅛ = 1.

Red cúbica I : En este tipo de red además de los átomos en

los vértices del cubo, se tiene un átomo en el centro del cubo.

Por lo que el número de átomo por celda unitaria en la red cúbica P es de 2 átomos.

5- Monoclínico

6- Triclínico

7- Trigonal

Imagen 1.10 red cubica

Las propiedades físicas son características de la materia que pueden ser observadas o medidas sin necesidad de cambiar la naturaleza química de la sustancia. Por ejemplo:

 Masa: corresponde a la cantidad de materia medida en kilogramos (unidad de la masa) por medio de una balanza. Es una propiedad extensiva.  Volumen: es el espacio ocupado por la materia que se mide en metros cúbicos o litros. Es una propiedad extensiva.  Divisibilidad: es la propiedad que implica que la materia pueda ser dividida en varias partes.  Compresibilidad: reducción del volumen de la materia mediante compresión. Por ejemplo: el aire que existe en los neumáticos está comprimido.  Elasticidad: corresponde al regreso al volumen original de la materia luego de dejar de ser comprimida. Por ejemplo: cuando el aire sale de los neumáticos, regresa a su volumen en la atmósfera.  Inercia: propiedad de la materia que indica la resistencia al cambio, es decir, que mantiene su estado de reposo o de movimiento a menos que se le aplique una fuerza.  Propiedades organolépticas: son aquellas características que pueden ser percibidas por los sentidos, como el sabor, el color, el olor, la dureza o la textura.  Punto de ebullición: es la temperatura a que una sustancia hierve. Es una propiedad intensiva.

Una propiedad química altera la estructura interna o molecular de una sustancia al interactuar con otra sustancia creando una nueva.

Las propiedades químicas son observables o distinguibles cuando existe un cambio en la composición original transformándose en otra diferente. Este cambio, llamado cambio químico, provoca la modificación de los enlaces químicos al estar en contacto con otras sustancias

Imagen 1.13 Representación grafica de las químicas

Imagen 1.14 Oxidación ejemplo de propiedad química

reaccionantes. Para identificar las propiedades químicas de una sustancia es necesario tener conocimientos sobre su reactividad o comportamiento químico frente a otros componentes, ya que, a pesar de que algunos son visibles la característica principal reside en la modificación profunda de su la estructura.

Características de las propiedades químicas

Las propiedades químicas de la materia se caracterizan por producir sustancias nuevas siendo ellas generalmente permanentes e irreversibles. Son siempre acompañados de una modificación profunda en las propiedades de las sustancias en contacto y se observa generalmente una variación de energía entre el producto original y producto creado.

Ejemplos de propiedades químicas

Las propiedades químicas son diferentes en cada sustancia ya que su reacción o comportamiento como reactivo depende de su composición molecular y la del componente con el cual entra en contacto. Algunas de las propiedades químicas que podemos encontrar son: Reactividad química: Es la forma en que una sustancia reacciona frente a otra, denominada también como reacción química. Entre ellas podemos encontrar, por ejemplo, la reactividad con el agua, la reactividad con sustancias ácidas y la reactividad con las bases o hidróxidos. Combustión: reacción frente al oxígeno que produce energía en forma de luz o de calor. Determina si una sustancia es combustible o inflamable. Oxidación: pérdida de electrones de un átomo o ión. Determina la corrosión y la oxidación de diferentes sustancias frente a otros compuestos. .

Si observamos alrededor de nosotros encontramos que la materia puede estar en tres estados: Sólido, líquido y gaseoso. A estas tres formas de presentarse la materia las llamamos estados de agregación de la materia. En cada uno de estos estados la materia posee propiedades diferentes:

1. Sólido. La mayoría de los objetos que utilizamos son sólidos: herramientas, muebles, libros, ropa, electrodomésticos, etc. Tienen forma fija, aunque haciendo fuerza en ellos puedan deformarse; si los comprimimos casi no disminuyen de volumen (excepto que tengan huecos o poros con aire en su interior). No se difunden y no pueden fluir. Si aumenta la temperatura pueden dilatarse.

Las sustancias puras están formadas por átomos o moléculas todas iguales, tienen propiedades específicas que las caracterizan y no pueden separarse en otras sustancias por procedimientos físicos. Las sustancias puras se clasifican en elementos y compuestos.

Una sustancia se dice pura si:

 No puede ser separada en dos o más sustancias por medios físicos o mecánicos.  Es homogénea (tiene la misma composición en toda la muestra)  Sus propiedades son constantes.

 Sus propiedades no dependen de como se prepare o de como se purifique.  Tiene composición química constante.

Elemento

Los elementos también pueden llamarse sustancias puras simples y están formados por una sola clase de átomos, es decir, átomos con el mismo número de protones en su núcleo y por lo tanto con las mismas propiedades químicas. Los elementos no pueden descomponerse en otras sustancias puras más sencillas por ningún procedimiento. Son sustancias puras simples todos los elementos químicos de la tabla

periódica. A las sustancias formadas por moléculas compuestas por átomos iguales también se les considera elementos, por ejemplo el oxígeno gaseoso, oxígeno molecular.

Imagen 1.16 Sustancia pura

Imagen 1.17 sustancia pura

Compuesto

Los compuestos son sustancias formadas por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica en proporciones fijas.

Una característica de los compuestos es que poseen una fórmula química que describe los diferentes elementos que forman al compuesto y su cantidad. Los métodos físicos no pueden separar un compuesto, éstos solo pueden ser

separados en sustancias más simples por métodos químicos, es decir, mediante reacciones.

La sal de mesa es un compuesto que contiene como elementos el Sodio y el Cloro

Las propiedades permiten diferenciar unas sustancias de otras, algunas de esas propiedades poseen un valor fijo

Existen muchas propiedades características, pero las más utilizadas son:

1. El punto de fusión: Temperatura a la cual una sustancia pura en estado sólido se transforma en líquido. Cada sustancia funde a una temperatura determinada, característica de dicha sustancia.
2. El punto de Ebullición: Temperatura a la cual una sustancia pura en estado líquido se transforma en gas. Cada sustancia hierve a una temperatura determinada, característica de dicha sustancia.
3. Densidad: La densidad muestra la relación entre la masa de una determinada cantidad de sustancia y el volumen que ocupa. La densidad de una sustancia pura es constante para cada estado

Imagen1.15 sal de mesa “compuesto”

Las mezclas heterogéneas presentan una composición no uniforme, sus componentes pueden distinguirse a simple vista, en otras palabras, se observan diferentes sustancias en la mezcla. Los componentes de este tipo de mezcla existen como regiones distintas que se llaman fases. Una mezcla heterogénea se compone de dos o más fases. Si observas la piedra de granito, puedes ver zonas de distinto color que indican que la roca está formada de cristales de distintas sustancias

En una mezcla heterogénea:

 La composición de las sustancias no es uniforme.  La composición varía de unas partes de la mezcla a otra.  Los diferentes componentes se pueden distinguir a simple vista.

Cuando una mezcla es separada en sus componentes, decimos que se han purificado los componentes.

Para separar los componentes de una mezcla heterogénea empleamos técnicas basadas en el estado de agregación en el que se encuentran los materiales que forman la mezcla. Las técnicas más utilizadas son:  Tamización  Imantación  Filtración  Decantación

Imagen1.16 mezclas”

cristalino, líquido, sólido, vítreo y gel.

Sólido Cristalino

Se denomina cristal al sólido que presenta una estructura integrada por unidades regulares que se repiten para construir un retículo o red tridimensional. Las unidades son básicamente poliedros, es decir, cuerpos geométricos espaciales cuyas caras son polígonos.

Algunas características:

-Se caracterizan por su simetría, en posición idéntica en relación con un punto, eje o plano.

-Se ordenan espacialmente.

-Son cristales duros, con capacidad de separarse en láminas.

-Son susceptibles en corte y pulido. Ejemplos: Cuarzo - Rubí - Topacio.

Cristalizados Amorfos Se caracterizan por ser isótopos, es decir, por demostrar propiedades que no dependen en ningún caso de la dirección que se considere al analizarlas; carecen de un patrón.

-Entre los amorfos se destacan los plásticos, los vidrios, los jabones, las parafinas y muchos compuestos orgánicos e inorgánicos.

Su disposición interna es en gran parte aleatoria, semejante a los líquidos.

La propiedad mas destacada de los amorfos es su carencia de punto fijo de fusión.

Su principal ejemplo son Las Piedras Preciosas

Son diversas clases de minerales que, por su belleza, durabilidad y rareza, son apreciadas en joyería, decoración y otras manifestaciones artísticas. Entre ellas se incluyen, además, algunas sustancias de origen orgánico como las perlas, el coral

Imagen1.17 solido cristalino

fuerza para aumentar el volumen de un líquido que para disminuirlo en un porcentaje determinado.

Forma

Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene, aunque en pequeñas cantidades tienden a la esfericidad debido a la tensión superficial y forman gotas sin disminuir el volumen, ya que la relación entre la superficie aumenta.

Tensión superficial

Es una fuerza debida a la desigual atracción que sufren en las distintas direcciones las moléculas que se encuentran en la superficie de un líquido. Tales moléculas son atraídas mas fuertemente hacia abajo y lateralmente por las moléculas cercanas de la masa líquida que hacia arriba por las moléculas mas alejadas y muy separadas del vapor de agua. El resultado es que tiende siempre a contraerse y reducir su superficie.

Estado Vítreo

Materiales amorfos, tanto orgánicos como inorgánicos. Muchas de las substancias que utilizamos en nuestra vida diaria son estructuralmente materiales vítreos; tal es el caso de polímeros, semiconductores y azúcares. EJEMPLO EL HULE

El estado vítreo o materiales amorfos pueden obtenerse por distintas técnicas, todas ellas relacionadas con un cambio rápido del material de un estado de equilibrio a uno de no equilibrio. Los métodos más normales para producir materiales amorfos incluyen el enfriamiento rápido a temperaturas inferiores a la temperatura de fusión.

Las diferencias entre los estados cristalino y vítreo reside que no se considera al vítreo como un estado particular de agregación; se considera como un liquido sub- enfriado, con gran fricción interna, y para conciliar las teorías establecidas hay que tener en cuenta que la mayor analogía entre los líquidos y sólido; es el estado amorfo, la falta de regularidad en su estructura se manifiesta en sus propiedades físicas

Imagen1.19 vitreo

Tales como la imposibilidad de deformarse por desplazamiento

-Ser quebradizos a temperaturas bajas

-Viscosos a temperaturas altas.

Gel

El estado de gel es la resistencia de un liquido la fluir libremente. Propiedades: Los geles presentan una densidad similar a los líquidos, sin embargo su estructura se asemeja más a la de un sólido. Ciertos geles presentan la capacidad de pasar de un estado coloidal a otro, es decir, permanecen fluidos cuando son agitados y se solidifican cuando permanecen inmóviles. Esta característica se denomina tixotropía. El proceso por el cual se forma un gel se denomina gelación.

Ejemplo: esta la mantequilla amarilla, el vidrio y la gelatina común.

• El estado “gel”, que aparece cuando las cadenas están suficientemente asociadas para formar una red o gel, desde luego, elástico;• en cuanto y a medida que las cadenas se organizan entre sí, el gel se transforma cada vez más rígido, lo que da lugar, en general al fenómeno de la sinéresis; el gel se contrae y exuda una parte de la fase líquida

CARACTERISTICAS:

INESTABILIDAD

Los estados de la materia son las distintas fases o estados de agregación en los que puede encontrarse la materia conocida, sean sustancias puras o mezclas. El estado de agregación de una sustancia depende del tipo y de la intensidad de las fuerzas de unión que existan entre sus partículas (átomos, moléculas, iones, etc.). Otros factores que influyen en el estado de agregación son la temperatura y la presión.

Imagen1.20 gel