Ciencias Plan Común

LIBCES001QM-A10V1

Química

Han colaborado en esta edición: Subdirectora Académica Paulina Núñez Lagos Directora PSU y Programas Consolidados Patricia Valdés Arroyo Equipo Editorial Gonzalo Prado Pérez Paula Rada Martínez Diseño Gráfico y Diagramación Pamela Martínez Fuentes Diseño de Portada

CPECH

Preuniversitarios

Vania Muñoz Díaz

2

Autor

:

Preuniversitarios Cpech.

N° de Inscripción

:

238.244 del 31 de Enero de 2014.

Derechos exclusivos

:

Cpech S.A.

PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Año Impresión 2014 Impreso en QUADGRAPHICS CHILE S.A.

ÍNDICE PRESENTACIÓN Capítulo Atómica Capítulo1:1:Teoría Organización, Estructura y Actividad Celular

11 13

1. Historia de la química .............................................................................................. 14 1.1 Teoría atómica .................................................................................................... 15 1.1.1 Teoría atómica de Dalton ......................................................................... 15 1.1.2 Modelo atómico de Thomson .................................................................. 16 1.1.3 Modelo atómico de Rutherford ............................................................... 17 1.1.4 Modelo atómico de Bohr ......................................................................... 18 1.1.5 Modelo mecánico cuántico ...................................................................... 19 2.

Términos en teoría atómica ..................................................................................... 19 2.1 Número atómico (Z) ............................................................................................ 19 2.2 Número másico (A) ............................................................................................. 19 2.3 Número de neutrones (n°)................................................................................... 20 2.4 Elemento químico ............................................................................................... 20 2.5 Unidad de masa atómica (UMA).......................................................................... 20 2.6 Carga eléctrica .................................................................................................... 20 2.7 Carga nuclear ...................................................................................................... 21

3.

Tipos de átomos ....................................................................................................... 22 3.1 Isótopos .............................................................................................................. 22 3.2 Isóbaros .............................................................................................................. 22 3.3 Isótonos .............................................................................................................. 22

4. Números cuánticos .................................................................................................. 23 4.1 Número cuántico principal (n) ............................................................................ 23 4.2 Número cuántico secundario (l) .......................................................................... 23 4.3 Número cuántico magnético (m) ........................................................................ 25 4.4 Número cuántico de spin (s) ............................................................................... 25

6.

Propiedades periódicas ............................................................................................ 28 6.1 Radio atómico ..................................................................................................... 28 6.2 Volumen atómico ............................................................................................... 29 6.3 Potencial de ionización ....................................................................................... 29 6.4 Electroafinidad .................................................................................................... 29 6.5 Electronegatividad .............................................................................................. 29

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Configuración electrónica......................................................................................... 25 5.1 Realización de una configuración electrónica ..................................................... 26 5.2 Formación de iones ............................................................................................. 28

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5.

3

7.

Propiedades macroscópicas de la materia................................................................ 30 7.1 Punto de ebullición ............................................................................................. 30 7.2 Punto de fusión .................................................................................................. 30

8.

Tabla periódica de elementos................................................................................... 31 8.1 Períodos .............................................................................................................. 31 8.2 Grupos ................................................................................................................ 31

9. Enlace químico ......................................................................................................... 33 9.1 Determinación de electrones de valencia ............................................................ 34 9.2 Tipos de enlace ................................................................................................... 35 9.2.1 Enlace iónico ........................................................................................... 35 9.2.2 Enlace covalente ...................................................................................... 35 9.2.3 Enlace metálico ....................................................................................... 36 9.3 Geometría molecular .......................................................................................... 36 Capítulo 2: Nomenclatura Inorgánica

45

1. Nomenclatura inorgánica......................................................................................... 46 1.1 Estado de oxidación (EDO) .................................................................................. 46 1.1.1 Estados de oxidación positivos ................................................................ 46 1.1.2 Estados de oxidación negativos ............................................................... 47 2.

Determinación de los estados de oxidación en compuestos .................................. 48 2.1 Iones positivos o cationes ................................................................................... 49 2.2 Iones negativos o aniones ................................................................................... 50

3. Compuestos binarios ............................................................................................... 50 3.1 Compuestos oxigenados ..................................................................................... 50 3.1.1 Óxido básico ............................................................................................ 51 3.1.2 Anhídridos u óxidos ácidos ...................................................................... 52 3.1.3 Peróxidos ................................................................................................. 53 3.2 Compuestos hidrogenados ................................................................................. 53 3.2.1 Hidruros .................................................................................................. 53 3.2.2 Hidrácidos ............................................................................................... 54 3.3 Sales binarias ...................................................................................................... 54

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4.

4

Compuestos ternarios .............................................................................................. 55 4.1 Hidróxidos .......................................................................................................... 55 4.2 Oxácidos ............................................................................................................. 56 4.3 Sales ternarias ..................................................................................................... 56

5. Mineralogía .............................................................................................................. 60 5.1 Rocas .................................................................................................................. 60 5.2 Mineral ............................................................................................................... 60 5.2.1 Propiedades de los minerales .................................................................. 60

5.3

Clasificación de los minerales ..........................................................................61 5.3.1 Elementos nativos ...............................................................................62 5.3.2 Sulfuros ...............................................................................................62 5.3.3 Halogenuros ........................................................................................62 5.3.4 Óxidos .................................................................................................62 5.3.5 Carbonatos ..........................................................................................63 5.3.6 Nitratos, fosfatos y sulfatos .................................................................63 5.3.7 Silicatos ...............................................................................................63

Capítulo 3: Estequiometría

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1. Estequiometría...................................................................................................... 74 1.1 Ley de la conservación de la masa (ley de Lavoisier) .......................................74 1.2 Ley de proporciones definidas (ley de Proust) .................................................75 1.3 Ley de las proporciones múltiples (ley de Dalton) ...........................................75 1.4 Ley de las proporciones recíprocas (ley de Richter) .........................................76 2.

Términos de estequiometría ................................................................................ 76 2.1 Unidad de masa atómica (uma).......................................................................76 2.2 Mol (n).............................................................................................................77 2.3 Constante de Avogadro ..................................................................................77 2.4 Masa molar (MM)............................................................................................78 2.5 Relación entre masa molar y la constante de Avogadro ..................................79

3.

Ecuaciones químicas ............................................................................................ 79

4.

Relaciones estequiométricas ................................................................................ 81

5.

Composición porcentual ...................................................................................... 81

6.

Reactivo límite ..................................................................................................... 82

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7. Leyes fundamentales de los gases ....................................................................... 84 7.1 Variables de los gases .....................................................................................84 7.1.1 Temperatura ....................................................................................... 84 7.1.2 Presión ................................................................................................ 85 7.1.3 Volumen ............................................................................................. 86 7.2 Leyes de los gases .......................................................................................... 86 7.2.1 Ley de Avogadro ................................................................................. 86 7.2.2 Ley de Boyle y Mariotte ...................................................................... 86 7.2.3 Ley de Charles ..................................................................................... 87 7.2.4 Ley de Gay- Lussâc .............................................................................. 87 7.2.5 Ley combinada de los gases ............................................................... 88 7.2.6 Ecuación de gases ideales ................................................................... 88

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5

Capítulo 4: DISoluciones

97

1. Disoluciones ......................................................................................................... 98 1.1 Características de las disoluciones ................................................................ 98 1.1.1 Clasificación de las disoluciones según la polaridad del disolvente ..... 98 1.1.2 Clasificación de las disoluciones según el número de componentes ... 98 1.1.3 Clasificación de las disoluciones según la fase en la que se encuentra el disolvente .................................................. 98 1.2 Suspensiones ............................................................................................... 99 1.3 Coloides ...................................................................................................... 99 2.

Expresiones en disoluciones .............................................................................. 100 2.1 Porcentaje masa masa (% m/m).................................................................. 100 2.2 Porcentaje masa volumen (% m/v).............................................................. 100 2.3 Porcentaje volumen volumen (% v/v)........................................................... 101 2.4 Molaridad (M)............................................................................................ 101 2.5 Molalidad (m)............................................................................................. 103 2.6 Partes por millón (ppm).............................................................................. 104 2.7 Fracción molar (X)...................................................................................... 104

3.

Relaciones entre las expresiones que informan sobre una disolución .............. 105 3.1 Molaridad en función de porcentaje masa masa ........................................ 105 3.2 Molalidad en función de porcentaje masa masa ......................................... 105 3.3 Porcentaje masa volumen en función de porcentaje masa masa ................. 106

4. Mezclas y diluciones ........................................................................................... 106 4.1 Mezclas ..................................................................................................... 106 4.2 Dilución de una disolución ......................................................................... 107

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5. Solubilidad ......................................................................................................... 107

6

6.

Factores de solubilidad ...................................................................................... 109 6.1 Temperatura .............................................................................................. 109 6.2 Naturaleza química .................................................................................... 109 6.3 Presión ...................................................................................................... 109

7.

Características de las disoluciones en solubilidad.............................................. 110 7.1 Disolución total ......................................................................................... 110 7.2 Disolución parcial ...................................................................................... 110 7.3 Disolución no total .................................................................................... 110 7.4 Reglas de solubilidad ................................................................................. 110

8. Propiedades coligativas ..................................................................................... 110 8.1 Presión de vapor (tonoscopía) .................................................................... 111 8.2 Punto de ebullición (ebulloscopía) ............................................................. 112 8.3 Punto de congelación (crioscopía) ............................................................. 113 8.4 Presión osmótica (osmometría)................................................................... 114

Capítulo 5: Química Ambiental

121

1. Flujo de materia y energía en el ecosistema ..................................................... 122 1.1 Ciclos de los nutrientes .............................................................................. 123 1.1.1 Ciclo del agua ................................................................................. 123 1.1.2 Ciclo del carbono ............................................................................ 124 1.1.3 Ciclo del nitrógeno ......................................................................... 125 1.1.4 Ciclo del fósforo ............................................................................. 126 2. Contaminación ambiental .................................................................................. 126 2.1 Aire ........................................................................................................... 127 2.1.1 Componentes del aire ..................................................................... 127 2.1.2 Contaminantes del aire ................................................................... 127 2.1.3 Contaminación del aire ................................................................... 129 3. Agua ................................................................................................................... 131 3.1 Estructura molecular del agua ................................................................... 131 3.2 Propiedades del agua ................................................................................ 132 3.2.1 Densidad ........................................................................................ 132 3.2.2 Tensión superficial .......................................................................... 132 3.2.3 Calor específico .............................................................................. 133 3.3 Tipos de contaminación ............................................................................. 133 3.3.1 Aguas duras ................................................................................... 133 3.3.2 Eutrofización .................................................................................. 133 3.4 Potabilización del agua .............................................................................. 134 4. Suelo .................................................................................................................. 136 4.1 Componentes del suelo ................................................................................136 4.2 Estructura y tipos de suelo ............................................................................137 4.3 Degradación de suelos ..................................................................................138 4.3.1 Erosión eólica ....................................................................................139 4.3.2 Erosión marina ..................................................................................139 4.3.3 Erosión pluvial y fluvial ......................................................................139 4.3.4 Erosión glacial ...................................................................................139 4.3.5 Erosión antrópica ..............................................................................139 4.4 Conservación de suelos .................................................................................140 4.4.1 Cultivo en terrazas .............................................................................140 4.4.2 Franjeado ...........................................................................................140 4.4.3 Cultivo en contorno ...........................................................................140 4.4.4 Rotación de cultivos ..........................................................................140 4.4.5 Agrosilvicultura ..................................................................................140 4.4.6 Reforestación .....................................................................................140

147

2.

Procesos industriales involucrados en el desarollo económico.......................... 148 2.1 Fabricación de vidrio .....................................................................................148 2.2 Fabricación del papel ....................................................................................150

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1. La industria química ........................................................................................... 148

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Capítulo 6: Procesos químicos industriales

7

2.2.1 Reciclaje del papel .............................................................................151 2.3 Metalurgia del cobre .....................................................................................151 2.3.1 Propiedades y aleaciones del cobre ...................................................152 2.3.2 Proceso de producción del cobre .......................................................152 2.4 Salitre ...........................................................................................................153 2.5 Carbonato de litio .........................................................................................154 3.

Conservación de los recursos energéticos de la tierra....................................... 155

Capítulo 7: Química Orgánica

161

1. Fuentes naturales de obtención del carbono .................................................... 162 1.1 Carbono elemental .......................................................................................162 1.2 Petróleo ........................................................................................................163 1.2.1 Refinación del petróleo ......................................................................164 1.3 Gas natural ...................................................................................................165 1.4 Productos vegetales y animales ....................................................................165 2.

Propiedades químicas del carbono .................................................................... 166

3.

Compuestos inorgánicos del carbono ............................................................... 169

4. Compuestos orgánicos del carbono .................................................................. 170 4.1 Los hidrocarburos .........................................................................................170 4.1.1 Hidrocarburos alifáticos .....................................................................170 4.1.2 Nomenclatura de algunos hidrocarburos alifáticos ............................172 4.1.3 Propiedades y usos de los hidrocarburos alifáticos ............................175 4.2 Hidrocarburos alicílicos .................................................................................176 4.3 Hidrocarburos aromáticos .............................................................................177 4.3.1 Benceno .............................................................................................177 4.3.2 Usos y características de los compuestos aromáticos ........................177 5.

Serie homóloga .................................................................................................. 178

6. Isomería............................................................................................................... 178 6.1 Isomería estructural ......................................................................................179 6.2 Estereoisomería ............................................................................................179

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7.

8

Funciones orgánicas............................................................................................ 180

8. Macromoléculas.................................................................................................. 183 8.1 Hidratos de carbono (azúcares) ....................................................................183 8.2 Lípidos ..........................................................................................................184 8.3 Proteínas .......................................................................................................184 8.4 Ácidos nucleicos ...........................................................................................185 9. Uso actual de los compuestos orgánicos ........................................................... 186 10.

Producción de bebidas alcohólicas .................................................................... 193

Capítulo 8: Ácido Base

203

1.

Conceptos, características de ácidos y bases .................................................... 204

2.

Características químicas de ácidos y bases ........................................................ 205 2.1 Ácidos ...........................................................................................................205 2.2 Bases .............................................................................................................205

3. Medida de la acidez y basicidad......................................................................... 206 3.1 Relación entre pH y pOH ...............................................................................207 3.2 Indicadores ...................................................................................................208 3.3 Disoluciones buffer .......................................................................................209 3.4 Neutralización ...............................................................................................209

Capítulo 9: Materiales de uso cotidiano

215

1. Materiales............................................................................................................ 216 1.1 Cerámicas .....................................................................................................216 1.2 Plásticos ........................................................................................................220 1.3 Caucho .........................................................................................................225

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PRESENTACIÓN Con el propósito de ayudarte en la adecuada preparación de la PSU de Ciencias Básicas – Química, te invitamos a iniciar un recorrido por las páginas de este libro. En sus capítulos, encontrarás el desarrollo de los contenidos establecidos por el DEMRE – Departamento de Evaluación, Medición y Registro Estudiantil – para el currículo de esta área. Con el fin de complementar tu proceso de aprendizaje, este libro contiene una serie de iconos didácticos que te indicarán distintas estrategias para optimizar tu modelo de lectura y análisis de los temas que se incluyen. Finalmente encontrarás resolución detallada de algunos problemas, actividades adicionales para resolver y ejercitación PSU en cada capítulo. Es importante que recuerdes que la Prueba de Selección Universitaria (PSU) mide, además, la integración de los contenidos dentro de la transversalidad del conocimiento, es decir, evalúa ciertas destrezas cognitivas (habilidades), necesarias para resolver cada problema. Con el propósito de orientarte en los procesos cognitivos que se evalúan, en la página siguiente te presentamos las habilidades consideradas en la PSU, de modo que durante la ejercitación de cada capítulo identifiques qué habilidad se desarrolla y potencies así tu capacidad de resolución.

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Química Plan Común

Habilidades evaluadas Reconocimiento: Reconocer información explícita que no implica un mayor manejo de contenidos, sólo recordar información específica, definiciones, hechos.

Comprensión: Además del conocimiento explícito de la información, ésta debe ser relacionada para manejar el contenido evaluado, interpretando información en un contexto distinto al que se aprendió. Aplicación: Es el desarrollo práctico tangible de la información que permite aplicar los contenidos asimilados a la resolución de problemas. En ciencias permite llevar el conocimiento científico a la vida diaria. ASE (Análisis, Síntesis y Evaluación): Es la más compleja de las habilidades evaluadas. Implica reconocer, comprender, interpretar e inferir información a partir de datos que no necesariamente son de conocimiento directo, y que exige reconocer las partes que forman un todo y las relaciones de causalidad entre ellas.

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Íconos didácticos

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Conceptos fundamentales

Indica aquellos conceptos importantes referidos al capítulo, que no debes olvidar ni confundir.

Actividades

Indica recursos didácticos que con una estructura distinta a un ejercicio PSU te ayudarán a aplicar los conceptos.

Sabías que...

Indica relaciones importantes respecto a la aplicación real de contenidos, con la finalidad de que los asocies de manera didáctica.

Ojo con

Indica datos relevantes que debes manejar respecto a un contenido.

Ejercicios PSU

Indica, aquellos ejercicios que reproducen la misma estructura de una pregunta PSU. Encontrarás la habilidad evaluada en cada ejercicio.

Síntesis de contenidos

Indica el desarrollo de un esquema de contenido a través del cual se sintetizan los contenidos más relevantes de uno o más temas y/o de un capítulo.

Capítulo 1

TEORÍA ATÓMICA Aprendizajes Esperados

Describir los distintos modelos atómicos. Definir términos usados en teoría atómica. Reconocer y utilizar los números cuánticos. Aplicar propiedades periódicas. Reconocer los diferentes tipos de enlace químico. Reconocer la geometría molecular de algunos compuestos.

capítulo

1

La Química Moderna se inicia con Lavoisier. Él postuló que “en la naturaleza nada se pierde ni se destruye, sólo se transforma”. Este hecho, hasta el día de hoy, es válido. Por ejemplo, citemos que las leyes que se pueden asociar a la estequiometría tienen su nacimiento en este período, descubrimientos de nuevos compuestos, etc.

Teoría atómica

1. Historia de la química Con el fin de establecer una evolución de la química, en este capítulo se pretenderá dar un resumen histórico, destacando los hechos más significativos ocurridos en esta ciencia. Si nos remontamos a la época antes de Cristo, se sabe que en China ya existían procedimientos químicos tales como la fabricación de ladrillos, de cerámica y la extracción de ciertos metales. En Egipto se realizaban observaciones experimentales que se tradujeron en obtener aleaciones de los metales y la creación de una técnica para embalsamar cadáveres. Los griegos también hacen su aporte a esta ciencia experimental. Establecen que la naturaleza estaba compuesta por cuatro elementos: agua, tierra, fuego y aire, más un quinto elemento denominado éter. Todo estaba constituido por estos elementos. Fue Demócrito quien postuló que “al tomar una porción de la naturaleza e ir dividiéndola llegaré a una parte que no podrá ser dividida, a esa porción le llamaré átomo, es decir, sin división”. Vemos que Demócrito es el creador del término átomo. Sin embargo, Aristóteles cuestiona lo postulado por Demócrito y establece que la naturaleza está compuesta por cuatro esencias: caliente, frío húmedo y seco, y otro componente, la quintaesencia, aumentando así, la confusión en torno a la formación de la naturaleza.

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Después de Cristo, aparecen etapas más destacables para esta ciencia. Así, la era de la alquimia se caracterizó por dos hechos fundamentales: transformar cualquier tipo de metal en oro y, encontrar la inmortalidad a través de la búsqueda de la piedra filosofal y el elixir de la vida. Como sabemos, ambos sucesos no fueron logrados, sin embargo, permitieron obtener grandes avances en los trabajos de laboratorio y en la obtención de nuevos compuestos.

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La siguiente etapa es la Iatroquímica, en la que se buscan y crean medicamentos para mantener la salud de las personas o bien, para la curación de ciertas enfermedades. De esta etapa proviene la actual carrera denominada química y farmacia. A continuación, aparece la etapa de la química neumática, la que se dedicó principalmente al estudio de los gases, formulando las leyes que los rigen. Así, el proceso de combustión fue explicado a través de la teoría del Flogisto, la que postulaba que “todo compuesto, al combustionarse, perdía flogisto o parte de su masa, quedando los respectivos residuos de cenizas”. Sin embargo, la práctica experimental demostró que tal suceso no podía ocurrir.

Capítulo 1

Teoría atómica

La química moderna se inicia con Lavoisier, quien postuló que “en la naturaleza nada se pierde ni se destruye, sólo se transforma”, hecho considerado válido hasta los días de hoy. A este periodo también se asocian las leyes de la estequiometría, los inicios de la nomenclatura orgánica e inorgánica, los descubrimientos de nuevos compuestos, etc. Luego de esta etapa, la química comienza un desarrollo importantísimo. y, gracias a las contribuciones de la física, se logra impulsar su expansión a otras áreas de las ciencias. Las investigaciones y experimentos apuntan a estudiar las características y estructura del átomo. En esta época, Mendeléev crea el actual Sistema Periódico de los elementos químicos, ordenando los átomos de acuerdo a sus características similares. Dalton y Thomson comienzan la creación de modelos atómicos con el fin de establecer las partículas constituyentes de un átomo. Por otra parte, se realizan numerosos estudios acerca de la radioactividad, los rayos X, la conducción eléctrica y los fenómenos nucleares. Por último, dentro de las ramas que conforman la química actual, se encuentran la química general, la química inorgánica, la química orgánica, la química analítica, la físicoquímica y la bioquímica. Todas ellas y su constante comunicación, hacen de esta ciencia una forma de avanzar día a día para una mejor relación de los seres vivos y la naturaleza. Línea de tiempo de historia de la química China

Egipto

Grecia

0

Alquimia

Latroquímica

a.C

Neumática

Moderna

d.C

1.1 Teoría atómica 1.1.1 Teoría atómica de Dalton John Dalton presenta una teoría atómica con el que se inicia el estudio del átomo. Lo propone entre los años 1803 y 1808. Su esquema es bastante simple, enunciado por tres postulados: 1. Cada elemento químico se compone de partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos. En todos los procesos químicos, el número de átomos de cada elemento, permanece constante.

Modelo atómico de Dalton

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3. En los compuestos químicos, los átomos de elementos diferentes están unidos entre sí en proporciones numéricas simples.

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2. Todos los átomos de un elemento dado tienen masa y propiedades iguales, pero son distintos de los átomos de todos los demás elementos.

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capítulo

1

Como se dijo, esta teoría ayuda a explicar lo que es el átomo. Sin embargo, no fue capaz de explicar una serie de hechos experimentales que hacía intuir la naturaleza eléctrica del átomo, tales como: - La conducción eléctrica a través de disoluciones y gases. - Descubrimientos de los rayos X. - Los fenómenos de radiactividad. Debido a esto, es necesario idear un modelo para explicar al átomo.

1.1.2 Modelo atómico de Thomson

- + -

+

-

- +

+ -

Modelo atómico de Thomsom

J. J. Thomson (1856-1940) enuncia su modelo en 1897. En sus estudios experimentales, usó los tubos de descarga. Éstos estaban compuestos por un tubo de vidrio al vacío (ausencia de aire), y por dos electrodos metálicos: un ánodo (parte positiva) y un cátodo (parte negativa), los cuales estaban conectados a una fuente de poder. Al accionar dicho tubo de descarga, se producía un haz de luz y se observó que emergían del cátodo al ánodo. Por ello se los bautizó como Rayos Catódicos. Los tubos de descarga fueron una idea del investigador Robert Crookes. Cuando Thomson colocó una cruz de malta dentro del tubo y observó que se producía sombra, dedujo que el haz de luz estaba formado por partículas. A su vez, sometió dicho haz a un campo magnético y uno eléctrico donde notó que sufría desviación al polo positivo. Por lo tanto, su carga eléctrica era negativa. Así, denominó electrón a aquella partícula. A su vez, con otros experimentos logra determinar la relación carga masa del electrón, siendo ésta: 1,76 x 108 C g-1 En donde C, representa la unidad de carga coulomb y g, la unidad de masa gramos.

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Luego, enunció su modelo: “el átomo es una esfera de carga positiva en donde los electrones estarían incrustados, y que pueden ser extraídos”. Este modelo se conoce como el “budín de pasas”. En 1908, R. A. Millikan (1868‑1953), luego de varios trabajos experimentales, logra determinar la carga del electrón en: 1,6 x 10-19 C Como se conocía la relación carga masa del electrón y el valor de la carga, fue fácil calcular la masa del electrón, resultando ésta igual a:

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9,11 x 10-28 g

Capítulo 1

Teoría atómica

Por otra parte, el físico Eugen Goldstein (1850‑1930), haciendo una modificación al cátodo del tubo de descarga, logra observar un haz de luz que, frente a campos eléctricos y magnéticos, sufrían desviación al polo negativo, por lo tanto, presentaban carga positiva. Estos rayos viajaban en forma opuesta a los rayos catódicos. Y venían de los orificios o canales del cátodo, motivo por el cual fueron bautizados como Rayos Canales.

1.1.3 Modelo atómico de Rutherford Lord Ernest Rutherford (1871‑1940) logra, a través de estudios experimentales, descubrir cuál era esa partícula positiva. Para destacar este hecho la llama protón (el primero). Su masa era 1.836 veces la del electrón, por lo tanto, su valor es: 1.67 x 10-24 g Con este suceso, Rutherford inicia su estudio del átomo, ocupando para ello partículas alfa. Dichas partículas fueron proyectadas sobre láminas muy delgadas de metales (oro, plata, magnesio, etc.) y en torno a esta placa, se colocaron otras, cubiertas con sulfuro de zinc.

Modelo atómico de Rutherford

Al revisar sus observaciones se lee: “de todas las partículas alfas proyectadas, la gran mayoría pasó sin problemas, pero otras sufrieron desviación”. Debido a esto, Rutherford sugirió que el átomo ya no era una estructura compacta. Comprobó que la mayor parte de la masa del átomo estaba al centro, al que llamó núcleo. Éste estaba formado por protones y a su alrededor, se encontraban girando los electrones separados por una distancia tal, que las partículas alfa pasaban sin problemas. Presenta sus estudios en 1911. En 1908 recibe el premio Nobel de Química. El modelo atómico de Rutherford también es conocido como el modelo planetario, debido a su semejanza con el sistema solar. Rutherford supone la existencia de otra partícula en el núcleo pero no lo demuestra. Quien sí comprueba tal supuesto es Sir James Chadwick (1891-1974). Él ocupa la llamada cámara de niebla para realizar sus experimentos, y en la reproducción de ellos, observa que una partícula retrocedía. Ésta resultó tener carga eléctrica cero y poseer una masa igual a la del protón. Dicho descubrimiento ocurre en el año 1932 y en 1935 recibe el premio Nobel de Física.

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Veamos a continuación el próximo modelo que pretende aportar otras explicaciones no contestadas por Rutherford.

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Con ello se demuestra que el átomo no es la partícula más pequeña sino que dentro de ella hay otras aún más pequeñas, las cuales nuevamente agrupadas dan origen al átomo. El átomo entonces está compuesto por protones, neutrones y electrones.

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capítulo

1

1.1.4 Modelo atómico de Bohr El modelo de Rutherford distingue un núcleo, formado por protones y neutrones y una envoltura que son los electrones. Sin embargo, este modelo no da información de cómo se distribuyen los electrones ni explica el hecho de que los átomos emitan o reciban energía. Fue Niels Bohr (1885 - 1962) quien propone una mejora al modelo de Rutherford. Él argumentó lo siguiente: “dado que estamos en presencia de partículas, las cuales presentan carga eléctrica, necesariamente debe producirse una atracción entre ellas”. Por lo tanto, el núcleo ejercerá atracción sobre el electrón, a tal punto de que el electrón empezará a proyectarse rápidamente al núcleo con la consecuencia de destruirlo. Esto no podía ser. El átomo es eterno, eso estaba claro. Ocupando los planteamientos de la física clásica, Bohr inicia la argumentación para justificar que el núcleo y el electrón no se atrajeran. Supuso que existía una relación entre la fuerza centrípeta y la fuerza eléctrica de atracción. Además, manifestó que la energía total del sistema era igual a la suma de la energía potencial y la energía cinética. Después de un desarrollo matemático (que no es necesario detallar), concluyó los siguientes aspectos: 1. Existen niveles de energía permitidos, que van desde n =1 hasta infinito. 2. Hay órbitas estacionarias en la cuales se mueve el electrón. No se manifiesta energía en estas órbitas. 3. El electrón podrá saltar de un nivel a otro de energía, sólo si se le entrega un cuantum de energía, expresado en valores enteros y no en fracciones. 4. Cuando el electrón pasa de un nivel menor a uno mayor de energía, ese proceso se llama absorción. Si va de uno mayor a uno menor, se llama emisión.

CPECH

Preuniversitarios

5. Para que ocurra ese salto entre los niveles se deberá procurar una frecuencia tal que concuerde con dicha diferencia energética.

18

-

-

Modelo atómico de Bohr

Con sus estudios, Bohr propuso tres expresiones con las cuales se puede calcular la energía para cada nivel, el radio de cada órbita y la velocidad del electrón en dicha órbita. Estas expresiones dan cuenta de los valores que se obtienen en cada nivel. Su propuesta se basó en el átomo de Hidrógeno. La gran desventaja del modelo atómico de Bohr fue que no pudo ser aplicado a los demás átomos, puesto que seguía asumiendo un átomo plano, el cual, necesariamente debía tener volumen.

Capítulo 1

Teoría atómica

1.1.5 Modelo mecánico cuántico El Modelo Mecánico Cuántico es la explicación actual sobre el comportamiento del átomo. Fue desarrollado entre los años 1924 y 1927 por varios científicos. Comenzando con Louis de Broglie, quien intuyó que los electrones deberían tener el comportamiento de una onda. Esto fue demostrado en 1927. Esta particular conducta de los electrones implica la imposibilidad de determinar simultáneamente y con igual exactitud la posición y la velocidad de éstos, pues para conocerlas se debe interactuar con esta partícula. Este postulado se conoce con el nombre de Principio de Incertidumbre y fue enunciado, en 1927, por Werner Heisenberg. Dado que el electrón es una partícula que presenta propiedades de onda, su movimiento pudo ser descrito por medio de una ecuación de onda. Erwin Schrödinger, en 1926, empleó las ideas de Broglie para llegar a la ecuación de onda que podría aplicarse al átomo de hidrógeno. La resolución de la ecuación de Schrödinger difiere de las ecuaciones simples, puesto que es una ecuación diferencial. Una de las características de éstas, es el gran número de soluciones posibles. Los resultados obtenidos para el átomo de hidrógeno se pudieron extender con éxito al resto de los elementos del sistema periódico.

2. Términos en teoría atómica Como se sabe, ya se estableció que los constituyentes del átomo son: protones, neutrones y electrones. Ahora bien, al relacionarlos surgen conceptos que es de interés conocer.

2.1 Número atómico (Z) Z = p+ Corresponde al número de protones que posee el núcleo de un átomo y es lo que identifica a un elemento. En un átomo neutro, la cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones, es decir, cuando se menciona que el átomo de sodio (Na) tiene un número atómico 11, implica que en el núcleo de ese átomo existen 11 protones y, consecuentemente, 11 electrones en la electrósfera.

Li

3

Na

11

Fe

26

2.2 Número másico (A) A = p+ + n°

C 12 K 39

Xe 54

Preuniversitarios



CPECH

El número másico es la suma de protones y neutrones que existen en un átomo. En él se expresa la composición nuclear que determina el peso atómico.

19

capítulo

1

2.3 Número de neutrones (n°) n° = A – Z Corresponde a partículas sin carga eléctrica, con masa similar al protón. Se calcula con la diferencia del número másico y el número atómico.

2.4 Elemento químico Es el conjunto de todos los átomos con el mismo número atómico (Z), siendo la notación general de un átomo la siguiente:



A Z

X

A: Número másico Z: Número atómico

2.5 Unidad másica atómica (UMA) Protones

Electrones

Neutrones

CPECH

Preuniversitarios

El átomo se compone básicamente de neutrones, protones y electrones. Estas partículas se llaman partículas subatómicas.

20

La explicación del principio de incertidumbre de Heisenberg, trasladado a la vida cotidiana, implicaría determinar la posición de un automóvil en movimiento haciendo chocar contra él otro automóvil. La determinación final sería poco fiable, ya que el movimiento del primero, velocidad y dirección, quedaría modificado por la colisión con el segundo.

Los átomos son tan pequeños, que no se puede cuantificar su masa individual. Sin embargo, mediante métodos experimentales se puede determinar la masa de un átomo en relación con la de otro. Para ello, se debe asignar un valor a la masa de un átomo de un elemento determinado de tal manera que pueda ser usada como patrón. Se ha establecido que el C12, uno de los isótopos del elemento carbono, tiene exactamente un peso de 12 unidades de masa atómica. Entonces, tomando como patrón este isótopo, la unidad másica atómica (uma) es igual a 1/12 de la masa del C12.

2.6 Carga eléctrica a. Átomo negativo Átomo cuyo número de electrones es mayor respecto al número de protones. También se llama Anión. e– > p+ b. Átomo neutro Átomo cuyo número de protones es igual al número de electrones y se refiere a un átomo en su estado natural. e– = p+ c. Átomo positivo Átomo cuyo número de electrones es menor en comparación al número de protones. También se llama Catión. e– < p+

Capítulo 1

Teoría atómica

2.7 Carga nuclear Es la carga que presenta el núcleo. Su valor se lo entregan los protones, dado que los neutrones son eléctricamente neutros. Un átomo X , que posee m cargas positivas, se representa por A Z

X

m+

Un átomo X, que posee n cargas negativas, se representa por A Z

X

n-

A, Z, m y n son números enteros A= Número másico Z= Número atómico Ejemplo 1 23

Na



11

El átomo de sodio tiene 11 protones, 11 electrones y 12 neutrones. Como hay igual número de protones y electrones es neutro. Su carga nuclear es + 11. Ejemplo 2 27

Al 13

3+

El ión de aluminio tiene 13 protones, 10 electrones y 14 neutrones. Como hay mayor número de protones que electrones es positivo (o catión). Su carga nuclear es + 13. Ejemplo 3 16

O 8

2-

El ión de oxígeno tiene 8 protones, 10 electrones y 8 neutrones. Como hay mayor número de electrones que protones es negativo (o anión). Su carga nuclear es + 8. ión

11p+ 12n

11p+ 12n

11e-

Número de partículas del ión nº ep+ 10e-

Catión Sodio (Na+1)

17p+ 18n

17p+ 18n

Cloro (Cl)

17e-

18e-

Anión Cloro (Cl-1)

12

10

17

18

18

Preuniversitarios

Sodio (Na)

11

CPECH

Átomo neutro

21

capítulo

1

3. Tipos de átomos Sabías que... No todos los elementos se presentan en la naturaleza en forma de varios isótopos. Así, hay 20 elementos que presentan una única forma natural: Be9, 9F19, 11Na23, 13Al27, 15P31, Sc45, 25Mn55, 27Co59, 33As75, 39Y89, 21 Nb93, 45Rh103, 53I127, 55Cs133, 41 Pr141, 65Tb159, 67Ho165, 69Tm169, 59 Au197, 83Bi209 79

3.1 Isótopos Son aquellos átomos que presentan igual número atómico, pero distinto número másico. Se establece en átomos de un mismo elemento. Ejemplo 15

16

O 8

4

17

O 8

8

O

El oxígeno tiene tres isótopos (tiene igual Z, distinto A).

3.2 Isóbaros Son aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número atómico. Ejemplo

14

C 6

14 7

N

Son átomos distintos, pero tienen igual A y diferente Z.

3.3 Isótonos Son átomos que presentan distinto número másico, distinto número atómico, pero tienen igual número de neutrones. Ejemplo

11

B 5

12 6

C

Tienen en común el mismo número de neutrones que es 6.

CPECH

Preuniversitarios

Nombre del núcleo

22

Abundancia Composición Número Número en la Símbolo nuclear atómico másico A naturaleza E (Z) (A) Z Protones Neutrones (en %)

Hidrógeno-1 Hidrógeno-2 Hidrógeno-3

99,985 0,015 0,00013

1 1 1

1 2 3

1 1 1

0 1 2

1 1 2 1 3 1

Carbono-12 Carbono-13

98,89 1,11

6 6

12 13

6 6

6 7

12 6C 13 6C

Nitrógeno-14 Nitrógeno-15

99,63 0,37

7 7

14 15

7 7

7 8

14 7N 15 7N

Oxígeno-16 Oxígeno-17 Oxígeno-18

99,759 0,037 0,204

8 8 8

16 17 18

8 8 8

8 9 10

16 8O 17 8O 18 8O

H H H

Capítulo 1

Teoría atómica

4. Números cuánticos Los números cuánticos surgen del modelo mecánico cuántico. Ellos se encargan de describir al electrón dentro del átomo. Veamos, entonces, cada número cuántico y sus características. 0 3d 4s

E(4s) < E(3d) 3p

Energía

3s 2p 2s n=1

Estado fundamental

Los niveles de energía se pueden representar mediante dos formas: letras y cuántica.

1s

Nivel

4.1 Número cuántico principal (n) Es el primer número cuántico y se simboliza por n. Indica el nivel de energía dentro del átomo. Su valor se expresa como números enteros positivos que varían entre 1 e infinito. n = 1,....., ∞

4.2 Número cuántico secundario ( ) Es el segundo número cuántico y se simboliza por . Informa de los orbitales que están presentes en cada nivel energético. Su valor varía desde cero hasta (n - 1) = 0,......, (n‑1)

Un orbital es la región donde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón en dicho nivel energético. Los orbitales tienen representación gráfica a través de coordenadas polares y funciones trigonométricas. Se usan los ejes x, y, z para reafirmar que representan una distribución espacial. Los orbitales se dan a conocer por letras, de acuerdo al siguiente cuadro. 0 1 3 4 5 6

s p d f g h i

1

segundo

L

2

tercero

M

3

cuarto

N

4

quinto

O

5

sexto

P

6

séptimo

Q

7

En la actualidad, la representación con letras tiene poca frecuencia de uso, por lo tanto, la más utilizada es la cuántica. A medida que aumenta el nivel, aumenta la energía.

La forma de los orbitales NO es real. Se trata únicamente de una forma práctica de representarlos. La superficie que los representa, encierra una región del espacio del átomo donde la probabilidad de encontrar al electrón es del 90%, y no excluye que el electrón pueda ocupar otras zonas alguna vez.

Preuniversitarios

2

Orbital tipo

K

CPECH

Valor

Letras Cuántica

primero

23

capítulo

1

Si el valor de aumenta, la letra sigue el orden alfabético sin repetir s ni p, dado que ya están seleccionadas.

Sabías que... El número cuántico secundario (l) se designa con letras derivadas de las características distintivas de cada tipo de orbital. - - - -

s: sharp (definida) p: principal d: difusa f: fundamental

Con respecto al número de electrones que puede estar en cada orbital, estará informado por la siguiente expresión: 2 (2 ∙ Orbital tipo

+1) Nº e

Valor

s

0

2

p

1

6

d

2

10

f

3

14

g

4

18

h

5

22

i

6

26

Los orbitales tipo s, presentan un máximo de 2 e ; los tipo p, un máximo de 6; los tipo d, un máximo de 10, etc. La totalidad de orbitales disponibles para albergar tal número de electrones estará dada por la expresión: (2 ∙ + 1) Valor

Nº orbitales

0

1

1

3

2

5

3

7

4

9

5

11

6

13

CPECH

Preuniversitarios

Es decir, habrá un solo orbital s, 3 orbitales tipo p, 5 orbitales tipo d, 7 orbitales tipo f, etc. Sin embargo, cada orbital (uno solo) tendrá un máximo de dos electrones.

24

Capítulo 1

Teoría atómica

4.3 Número cuántico magnético (m) Es el tercer número cuántico y se simboliza por m. Indica la orientación espacial de un orbital. Su valor es: ,...., 0,....,+

m=‑

4.4 Número cuántico de spin (s) Es el cuarto y último número cuántico, se simboliza por s. Informa el sentido del giro del electrón en un orbital. Su valor es: electrón apareado s = +1/2 y s = –1/2 electrón desapareado

En resumen, un electrón puede ser representado simbólicamente por: Indica el número cuántico principal

3p1

indica la cantidad de electrones existentes en un tipo de orbital

p indica el número cuántico secundario

En conclusión, podemos decir que un electrón es localizado por sus cuatro números cuánticos, de la misma manera que una persona es localizada por su dirección, es decir: nombre de la calle, número del edificio, piso y número de apartamento.

5. Configuración electrónica La configuración electrónica es la distribución de los electrones dentro del átomo, según principios que la regulan. Los principios que la rigen son: a. Principio de exclusión de Pauli “No puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos”.

b. Principio de constitución o de mínima energía “Los electrones irán ocupando los niveles de más baja energía en forma creciente”.

“Deberán existir el mayor número de electrones desapareados posibles”.

Preuniversitarios

Este último principio tiene su aplicación directa en los orbitales tipo p, d, f, etc., dado que son más de dos. Cada electrón tiene cuatro números cuánticos y se puede establecer, dentro de la configuración electrónica, los valores de cada electrón, esto es, se puede calcular al primero como al último electrón, etc. Con respecto a la asignación del signo en los orbitales p, d, f, etc., de acuerdo al número cuántico magnético m, debemos hacer notar que es una asignación arbitraria y en este texto se establecerá que los valores de la izquierda serán negativos y los de la derecha, positivos. En el siguiente esquema se muestran los signos para cada orbital:

CPECH

c. Principio máxima multiplicidad de Hund

25

capítulo

1



Orbital tipo p: Orbital tipo d: - Orbital tipo f: - -





- - -

0 + 0 + + 0 + + +

Para el número cuántico de spin (s), el signo para el primer electrón que entra será positivo y para el segundo electrón, negativo. De esta forma serán todas las interrogantes que se formulen al respecto y los comentarios respectivos.

5.1 Realización de una configuración electrónica Ejemplo: Realizar la configuración electrónica del sodio, 11Na.

1s

Como el átomo no presenta signo + ó –, se asume que es neutro, por lo tanto, el número de electrones por distribuir es igual al número de protones, esto es, 11 electrones. Los electrones se irán distribuyendo desde el nivel más bajo de energía y así sucesivamente hasta alojar al último. De acuerdo con el sentido de giro, el primer electrón que entre a cada orbital tendrá signo positivo y luego entrará el otro (signo negativo). A continuación, el orden energético de cada orbital

2s 2p 3s 3p 3d

4s 4p 5s

4d 5p

4f 5d

6s 6p

5f

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p < 8s

6d

7s

El primer y segundo electrón entra en el orbital 1s y se anota: 1s2 El tercer y cuarto electrón entran en el orbital 2s y se anota: 2s2 El quinto, sexto y séptimo electrón entra en el orbital 2p y como son tres, cada electrón ocupa uno cada uno y se anota: 2p1x 2p1y 2p1z o 2p3 El octavo, noveno y décimo electrón entra en el orbital 2p y van ocupando el espacio que dejan los que ya están y se anota: 2p2x 2p2y 2p2z o 2p6 en total 7p

El undécimo y último electrón entran en el orbital 3s y se anota: 3s1 Por lo tanto, tenemos: 1s2 2s2 2p2x 2p2y 2p2z 3s1 Ahora bien, como el orbital tipo p está completo para el número de electrones que puede albergar, se puede anotar como: 1s2 2s2 2p6 3s1 Visto de otra manera:

CPECH

Preuniversitarios

1s

26

2s

2px

2py

2pz

3s

En donde la flecha indica el electrón con spin +1/2 (hacia arriba) y con spin –1/2 (hacia abajo). Recordemos que entra primero el electrón con spin +1/2 y luego el electrón que tiene spin –1/2. Veamos otro ejemplo y realicemos la configuración electrónica para el 25Mn. Son 25 electrones por distribuir.

el electrón 1 y 2 al 1s: 1s2 el electrón 3 y 4 al 2s: 2s2 el electrón 5, 6 y 7 al 2p: 2p1 2p1 2p1

Capítulo 1



Teoría atómica

el electrón 8, 9 y 10 al 2p: 2p2 2p2 2p2 el electrón 11 y 12 al 3s: 3s2 el electrón 13, 14 y 15 al 3p: 3p1 3p1 3p1 el electrón 16, 17 y 18 al 3p: 3p2 3p2 3p2 el electrón 19 y 20 al 4s: 4s2 el electrón 21 al 25 al 3d: 3d1 3d1 3d1 3d1 3d1

Por lo tanto, tenemos: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 Excepción: Hay dos átomos que presentan una distribución especial de sus electrones, puesto que no cumplen con los principios de construcción. Teóricamente debiera ser una configuración con una secuencia normal, pero experimentalmente se encuentra que no lo es. Estos átomos son: Cr y Cu. Realicemos la configuración para cada uno. Comencemos con el Cr (Z=24). Los electrones 1 al 18 se distribuyen normalmente y anotamos: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Luego procede llenar los orbitales 4s y 3d, quedando: 4s2 3d4 Pero en realidad se establece como: 4s1 3d5 El 3d se hace más estable teniendo todos sus orbitales ocupados, siendo el 4s quien aporta ese electrón. Veamos el Cu (Z = 29). Los electrones 1 al 18 se distribuyen normalmente y anotamos: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Luego los orbitales 4s y 3d, dando: 4s2 3d9 Cuando lo que se comprueba es: 4s1 3d10 Configuración abreviada a partir del gas noble más cercano Gas Noble

Configuración Abreviada

He

1s2

2

Ne 10

36

Kr

86

Rn

6

1s 2s 2p

[10 Ne] 3s23p6 10

2

[ 2 He]

2s

[10 Ne ]

3s

[18 Ar ]

4s

6

[36 Kr ]

5s

[36 Kr ] 4d105s25p6

[ 54Xe ]

6s

[54 Xe ] 4f145d106s26p6

[ 86 Rn ]

7s

[18 Ar ] 3d 4s 4p

Preuniversitarios

Xe 54

2

Próximo Nivel

CPECH

Ar 18

2

Abreviación Nivel

27

capítulo

1

5.2 Formación de iones • Cationes (iones positivos): En determinadas oportunidades los elementos metálicos pueden perder fácilmente algunos de sus electrones de valencia del último nivel energético. Al perder uno o más e, el átomo queda con un mayor número de cargas positivas, dando origen a los cationes. En este proceso, el catión consigue tener la misma configuración electrónica que el gas noble más próximo, logrando así su estabilidad química (octeto). 12

Mg (1s2 2s2 2p6 3s2) -2e → 12 Mg+2 (1s2 2s2 2p6) = 10Ne

• Aniones (iones negativos): Son producidos principalmente por los elementos no metálicos, los cuales tienen tendencia a ganar electrones para llegar a tener la configuración electrónica del gas noble más cercano. El proceso de ganancia de electrones deja al átomo con un exceso de cargas negativas, las cuales lo transforman en un anión o ión negativo. 9

F (1s2 2s2 2p5) +1e → 9F- (1s2 2s2 2p6) = 10Ne

6. Propiedades periódicas Las propiedades periódicas que a continuación presentaremos son: - - - - -

Radio atómico Volumen atómico Potencial de ionización Electroafinidad Electronegatividad

Estas propiedades van a caracterizar a los elementos que forman la tabla periódica y veremos su comportamiento en los grupos y períodos respectivamente.

6.1 Radio atómico Es la distancia que se establece entre el núcleo y el último electrón del átomo. En la tabla periódica varía de la siguiente manera:

CPECH 28

IA

IIA

III

IVA

VA

VIA VIIA VIIIA He

H

RADIO ATÓMICO CRECIENTE

Preuniversitarios

• Grupos: aumenta de arriba hacia abajo, debido a que el átomo incrementa su valor de número atómico.

RADIO ATÓMICO DECRECIENTE

Li

Be B

C N O F Ne

Na

Mg Al

Si P

K

Ca

S Cl Ar

Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr In Sn Sb Te I Xe • Período: disminuye de izquierda a derecha, debido a que el núcleo se hace mayor con el correspondiente Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn aumento de la carga nuclear y por ello los electrones más cercanos se sienten más atraídos que los últimos, reduciendo así su distancia y por consiguiente el radio atómico.

Capítulo 1

Teoría atómica

6.2 Volumen atómico Es el espacio que ocupa el átomo. Se hace el supuesto de que el átomo es una esfera y se aplica la fórmula de tal figura 3 V = 4/3 π r Como el volumen es directamente proporcional al radio, debido a 4/3 π es constante, tendrá la misma variación en grupos y períodos que el radio atómico. Con respecto al orden del volumen en átomos positivos (VAP), neutro (VAO) y negativo (VAN), encontraremos el mismo orden creciente. Orden volumen VAP < VAO < VAN

6.3 Potencial de ionización Es la energía necesaria para separar al último electrón del átomo, el cual está débilmente retenido. También se la denomina energía de ionización. En la tabla periódica varía de la siguiente manera: • Grupos: aumenta de abajo hacia arriba. • Períodos: aumenta de izquierda a derecha.

E A

Electronegatividad aumenta

A+ + e–

Formación de cationes IA

H 2,1

6.4 Electroafinidad Es la energía liberada cuando se agrega un electrón al átomo. En la tabla periódica varía en:

1,0

1,5

1,0

1,3

E A–

Es la capacidad para atraer un par de electrones de enlace. En la tabla periódica varía de la siguiente manera: Grupos: aumenta de abajo hacia arriba. Períodos: aumenta de izquierda a derecha.

N

O

F

3,1

3,5

4,0

Al

Si

P

S

Cl

1,5

1,8

2,1

2,4

2,9

Ge As

Se

Br

1,1

2,8

0,8

1,0

0,8

0,9

0,8

0,9

1,8

2,0

2,0

2,5

In

Sn

Sb

Te

1,5

1,7

1,8

2,0

2,2

TI

Pb

Bi

Po

At

1,5

1,6

1,7

1,8

2,0

I

Preuniversitarios

6.5 Electronegatividad

C 2,5

CPECH

A+e

Formación de aniones

B 2,0

Ga 0,9

Grupos: aumenta de abajo hacia arriba. Períodos: aumenta de izquierda a derecha.

II A III A IV A V A VI A VII A

29

capítulo

1

7. Propiedades macroscópicas de la materia 7.1 Punto de ebullición El punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica existente sobre dicho líquido. A temperaturas inferiores al punto de ebullición (p.e.), la evaporación tiene lugar únicamente en la superficie del líquido. Durante la ebullición se forma vapor en el interior del líquido, que sale a la superficie en forma de burbujas, con el característico hervor tumultuoso de la ebullición. Cuando el líquido es una sustancia simple o una mezcla, continúa hirviendo mientras se le aporte calor, sin aumentar la temperatura; esto quiere decir que la ebullición se produce a una temperatura y presión constantes con independencia de la cantidad de calor aplicada al líquido. Cuando se aumenta la presión sobre un líquido, el punto de ebullición aumenta. El agua, sometida a una presión de 1 atmósfera (760 mm Hg), hierve a 100 °C, pero a una presión de 217 atmósferas el punto de ebullición alcanza su valor máximo a 374 °C. Por encima de esta temperatura, (la temperatura crítica del agua) el agua en estado líquido es idéntica al vapor saturado. Al reducir la presión sobre un líquido, baja el valor del punto de ebullición. A mayores alturas, donde la presión es menor, el agua hierve por debajo de 100 °C. Si la presión sobre una muestra de agua desciende a 0,05 atmósferas, la ebullición tendrá lugar a 0 °C. Los puntos de ebullición varían dentro de un amplio margen de temperaturas. El punto de ebullición más bajo es el del helio, -268,9 °C; el más alto es probablemente el del wolframio, unos 5.900 °C. Los puntos de ebullición varían de acuerdo a los distintos elementos y compuestos químicos, tomando como referencia una presión de 1 atmósfera.

7.2 Punto de fusión Es la temperatura a la cual un sólido cambia a líquido. En las sustancias puras, el proceso de fusión ocurre a una sola temperatura y el aumento de temperatura por la adición de calor se detiene hasta que la fusión es completa. Los puntos de fusión se han medido a una presión de 1 atmósfera. Al fundirse, todas las sustancias absorben calor y la mayor parte de dilatan; en consecuencia, un aumento en la presión normalmente eleva el punto de fusión.

CPECH

Preuniversitarios

Algunas sustancias, de las cuales el agua es el ejemplo más notable, se contraen al fundirse; así, al aplicar presión al hielo a 0 oC (32 F), se provoca su fusión. Para producir cambios significativos en el punto de fusión se requieren grandes cambios en la presión.

30

En disoluciones de dos o más componentes el proceso de fusión ocurre normalmente dentro de un intervalo de temperaturas y se hace una distinción entre el punto de fusión, la temperatura a la que aparece la primera traza de líquido y el punto de congelamiento, es decir, la temperatura más alta a la que desaparece la última traza de sólido, o, en forma equivalente, si se está enfriando en vez de calentar, la temperatura a la que aparece la primera traza de sólido. Es interesante hacer notar que los elementos de menores puntos de fusión y ebullición son aquellos que se pueden presentar en estado líquido o gaseoso, en condiciones ambientales. Con excepción del hidrógeno, dichos elementos están ubicados a la derecha de la tabla periódica

Capítulo 1

Teoría atómica

8. Tabla periódica de elementos En el sistema periódico actual los elementos químicos se organizan según el orden creciente de sus números atómicos. El número atómico es el mismo para todos los átomos de un elemento, independiente de que un elemento tenga varios isótopos. Los elementos de la tabla se anotan con mayúscula cuando tengan un solo carácter, en cambio, cuando son dos caracteres la primera letra es mayúscula y la segunda minúscula.

K (Potasio)



Mg (Magnesio)

8.1 Períodos Las siete líneas horizontales que aparecen en la tabla periódica son denominados períodos, es importante notar que: • En el sexto período la tercera cuadrícula encierra 15 elementos (del lantano a lutecio) que por comodidad, están indicados en una línea debajo de la tabla; comenzando con el lantano, esos elementos forman la llamada serie de los lantánidos. • Analógicamente, en el séptimo período, la tercera cuadrícula también encierra 15 elementos químicos (del actinio hasta el laurencio), que están indicados en la segunda línea debajo de la tabla. Comenzando con el actinio, ellos forman la serie de los actínidos. • Se debe señalar que todos los elementos situados después del uranio (U–92) no existen en la naturaleza, debiendo ser sintetizados artificialmente. Ellos son denominados elementos transuránicos. Aparte de estos elementos, son también artificiales el tecnecio (Tc–43), promecio (Pm–61) y astato (As–85).

Es importante considerar lo siguiente:

Preuniversitarios

Es un ordenamiento vertical de los elementos en la tabla periódica, de acuerdo a propiedades químicas semejantes. La numeración tradicional de las dieciocho columnas es I A, II A, III A, IV A, etc,, como vemos en la tabla periódica de más arriba. Actualmente, la IUPAC (Internacional Union of Pure and Applied Chemistry – Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) recomienda la numeración sucesiva, es decir: 1, 2, 3, 4, 5,........

CPECH

8.2 Grupos

31

capítulo

1

• El hidrógeno (H), a pesar de aparecer en el grupo IA (1), no es un metal alcalino. Al contrario, el hidrógeno es tan diferente de los demás elementos químicos que algunas clasificaciones prefieren colocarlo fuera de la tabla. • Los grupos A son los más importantes de la tabla, sus elementos son denominados representativos. • Los elementos de los grupos III B, IV B, V B, VI B, VII B, VIII B, I B y II B constituyen los llamados elementos de transición. Note que el grupo VIII B es un grupo triple. • Otra separación importante que podemos hacer en la tabla periódica es aquella en la que dividimos los elementos en metales, no metales y gases nobles.

Es habitual encontrar tablas periódicas donde se designan los grupos por un números romano y la letra A o B. Según se tratara de Europa o Estados Unidos, la designación de algunos grupos variaba. Para evitar ambigüedades, se adoptó el criterio de la IUPAC de designarlos por números correlativos del 1 al 18 como es posible encontrar en las tablas más actuales.

Grupo

Nombre

Configuración Electrónica

IA

Alcalinos

ns1

IIA

Alc. térreos

ns2

IIIA

Térreos

ns2np1

IVA

Carbonados

ns2np2

VA

Nitrogenados

ns2np3

VIA

Calcógenos

ns2np4

VIIA

Halógenos

ns2np5

0

Gases nobles

ns2np6

Clasificación de los elementos en la Tabla Periódica 1 IA

18 0

Metales 2 II A

13 14 15 16 17 III A IV A V A VI A VII A

No metales Gases nobles

3 4 6 7 5 III B IV B V B VI B VII B

88

CPECH

Preuniversitarios

85

32

Fr

103

Ra

Lr 57

La 89

Ac

8

9 10 VIII B

11 IB

12 II B

Capítulo 1

Teoría atómica

a. Elementos representativos Corresponden a los grupos A de la tabla periódica. No cumplen con la regla del octeto, es decir, su último nivel de energía no alcanza a tener 8 electrones. Así por ejemplo, los átomos de los elementos representativos pertenecientes al grupo III A, como el Aluminio (Al), tienen 3 e- de valencia en su última capa, es decir, presentan incompletos los orbitales p (p1 al p6). Los elementos de los grupos I A al V A, tienen la tendencia a ceder electrones para llegar a la configuración de gas noble (ns2 np6) más cercano. En cambio, los elementos de los grupos VI A y VII A, captan e– para llegar a la configuración de gas noble más cercano. b. Elementos de transición Se sitúan en los grupos B del sistema periódico. Los elementos pertenecientes a esta clasificación presentan orbitales d (d1 al d10) en su último nivel de energía.

c. Elementos de transición interna Se ubican en la zona inferior de la tabla periódica, también se les denomina tierras raras. Su principal característica es que presentan orbitales f (f 1 al f 14) en su último nivel de energía.

d. Gases nobles Se ubican en la parte derecha de la tabla periódica, en el grupo 0 ó grupo VIII. Son químicamente gases, que presentan 8 e en su último nivel de energía (ns2 np6), con excepción del Helio (He) que presenta 2.

IA

Símbolo de Lewis

Número atómico

VIII Nombre

Litio

Los átomos de los gases nobles presentan gran estabilidad química debido a su configuración electrónica, puesto que cumplen con la regla del octeto, es decir, presentan una configuración electrónica completa con 8 e en su último nivel energético. Por esta razón, no reaccionan con otros elementos químicos, recibiendo el nombre de inértidos.

Es así que un átomo adquiere estabilidad cuando posee 8 electrones en la capa electrónica más externa (o 2 electrones cuando sólo tienen 1 nivel de energía) o capa de valencia. La denominación electrón de valencia, se utiliza para designar los electrones existentes en esa capa.

Litio

Berilio 13

Sodio

Magnesio

B Boro

Al Boro

6

C

7

N

8

O

9

Carbono Nitrógeno Oxígeno 14

Si

Silicio

15

P

Fósforo

16

S

F

Ne

Flúor

Neón

17

Azufre

La regla del octeto es sólo una aproximación útil para comprender los enlaces. En muchas moléculas aparecen átomos rodeados por un número menor o mayor de ocho electrones ejemplo: BF3, SF6.

Helio

Cl

Cloro

Argón

Preuniversitarios

El enlace químico es la forma de unión entre dos o más átomos. Esta unión va a estar regulada por criterios y reglas y dependiendo de ello, es el tipo de enlace que se establece.

5

CPECH

9. Enlace químico

II A III A IV A V A VI A VII A

33

capítulo

1

En la práctica, cuando dos átomos se van a unir, ellos intercambian electrones entre sí (ceden o ganan) o utilizan compartición de electrones, procurando adquirir la configuración electrónica de un gas noble. Dos reglas principales que se deben cumplir son las siguientes: • Regla del Dueto: Un átomo debe tener dos electrones en su entorno. • Regla del Octeto: Un átomo debe tener ocho electrones alrededor. Además, existe una forma de simbolizar esta repartición de los electrones en el enlace; denominada estructura de Lewis. La estructura de Lewis es la representación de la distribución de los electrones que participan en el átomo. Ejemplo: Como el hidrógeno pertenece al grupo IA, tendrá un solo electrón. El oxígeno pertenece al grupo VIA y participa con seis electrones. Al simbolizar su unión queda

H

x

O

x

H

IA

VIII A II A

III A IV A V A VI A VII A

III B IV B V B VI B VII B

Fr

VIII B

IB

II B

Ra

9.1 Determinación de electrones de valencia Son los electrones de mayor energía que posee un átomo. Estos se ubican en los niveles energéticos más externos. Además, son los electrones efectivamente utilizados en la creación de los enlaces químicos. Para poder determinarlos:

CPECH

Preuniversitarios

• Se escribe la configuración electrónica de los elementos. • Se identifica la capa más externa. • Se suman los electrones del último nivel de energía.

34

Así por ejemplo, el oxígeno que tiene un número atómico de 8, al escribir su configuración electrónica queda: 1s22s22p4 Identificando la capa más externa, 2s22p4 Sumando los electrones 2 + 4, se obtienen 6 electrones de valencia.

Capítulo 1

Teoría atómica

9.2 Tipos de enlace 9.2.1 Enlace iónico Es el proceso de unión que se establece entre dos átomos de electronegatividades muy distintas (diferencia de EN igual o mayor a 1,7), en el cual ocurre una transferencia de uno o más electrones, generalmente desde un elemento metálico hacia otro no metálico. En este tipo de enlace un átomo cede electrones, quedando con carga positiva, y el otro átomo capta electrones, quedando con carga negativa. Las sustancias iónicas tienen aspecto cristalino, son sólidas a temperatura ambiente y presentan elevados puntos de fusión y ebullición. Además, son solubles en agua y conducen la corriente eléctrica (electrolitos) cuando están fundidos o en disolución acuosa. Son sustancias iónicas: la sal de mesa (NaCl), el salitre (KNO3), el sulfato de cobre (CuSO4) y sales en general.

Sabías que... Los electrones de valencia que forman parte del enlace se denominan electrones enlazantes y los otros electrones de valencia reciben el nombre de electrones no enlazantes o libres.

El enlace iónico se establece principalmente entre átomos de los grupos:

I A - VI A I A - VII A

II A - VI A II A - VII A

Ejemplo: NaCl

9.2.2 Enlace covalente Es un tipo de unión atómica que se caracteriza porque los átomos enlazantes comparten electrones, formando ambos un octeto. Las sustancias con enlaces covalentes son, por lo general, insolubles en agua, no conducen la corriente eléctrica y presentan puntos de fusión más bajos. Dentro de este enlace se distinguen dos tipos: CO2 Estructura de Lewis Geometría molecular Enlaces polarizados Momento dipolar resultante

BCl3

H2O

Cl O O

C C

O O

Lineal 2

O

C

O

Cl B Cl Cl Triangular plana

Los μ se anulan

H H

μr= 0

μr= 0

Piramidal triangular

Cl

3 H

Hay μ resultante

μr= 1,87D

Dipolo

O H

H

H

H N

H Hay μ resultante

H N

μr= 1,46D Dipolo

H

H H

H

• Enlace covalente polar: Se presenta entre átomos que tienen electronegatividades muy similares (diferencia de EN entre 0,1 y 1,6). Se le denomina enlace covalente polar porque al producirse la unión

Preuniversitarios

• Enlace covalente apolar: Se da entre átomos de igual electronegatividad (diferencia de EN = 0). Este enlace lo presentan los gases diatómicos, tales como el H2, O2, N2, etc.

CPECH

No polarizada

H

N

H

2 O

Cl B

Cl

N H H

H H Angular

Cl 3

O O

B Cl

Los μ se anulan

No polarizada

H

NH3

35

capítulo

1

entre átomos con electronegatividades similares, se establece una zona donde se concentra una mayor densidad electrónica, generándose por consiguiente un polo positivo y otro polo negativo. Por lo tanto, la zona que pertenece al átomo con mayor electronegatividad será el polo negativo y la del átomo con menor electronegatividad será el polo positivo, originándose así una molécula polar.



Ejemplo: H2O y NH3

- Enlace covalente apolar:

Ejemplo:



H +x H xx

Cl + x Cl xx xx

H x H =H

2

Cl

xx

x

Cl xx = Cl xx

2

- Enlace covalente polar:

Ejemplo: HCl

xx

x H + x Cl x xx

H

xx

Cl xx

x

xx

- Enlace covalente coordenado o dativo: en este tipo de enlace sólo un átomo aporta electrones para el enlace, mientras que el otro átomo sólo aporta orbitales vacíos. Ejemplo:

+

H NH3 + H

H

x

N

x

x

H

H

9.2.3 Enlace metálico En este caso los electrones forman una nube alrededor de un conglomerado de átomos y se dice que los electrones están deslocalizados. Este tipo de enlace se caracteriza por poseer una gran cantidad de iones positivos que se mantiene unido por una nube de electrones.

+++++++ +++++++

Los cationes metálicos se encuentran rodeados de electrones deslocalizados, lo que produce una gran atracción entre átomos, así lo explica la teoría del mar de electrones. Esta atracción es responsable de las propiedades de los compuestos metálicos, tales como sus elevados puntos de fusión y ebullición, ser buenos conductores de calor y electricidad, ser maleables y dúctiles.

Preuniversitarios

Corresponde a la disposición espacial que tienen las moléculas, basado en el modelo de la repulsión de los pares electrónicos de la capa de valencia (RPECV). Esta indica que los electrones de valencia que se encuentran en un átomo central, desempeñan un papel fundamental, incluyendo los pares electrónicos que forman enlace y los que no forman enlace.

CPECH

9.3 Geometría molecular

Considerando a las moléculas covalentes como compuestas por un átomo central (A), rodeado de ligantes (B), la fórmula que lo representa es: ABX

36

Siendo X, el número de ligantes del átomo central.

Capítulo 1

Teoría atómica

Ejemplo: Determinar la geometría molecular de la molécula de anhídrido sulfuroso, SO2. - Primero se deben determinar los electrones de valencia de los átomos involucrados en la formación de la molécula: Oxígeno: 6 electrones de valencia (grupo VIA) Azufre: 6 electrones de valencia (grupo VIA) - Determinar el total que efectivamente forman enlaces: 6 + 6 · 2 =18 (electrones disponibles) - Ubicar átomo principal en el centro y los ligantes alrededor: O S O - Distribuir los átomos disponibles, formando en primera instancia enlaces simples (2 electrones): O−S− O (4 electrones utilizados) - Luego, distribuir los electrones restantes, formando en primera instancia octetos con los ligantes y luego con el átomo central: O−S− O - En este caso, el azufre no cumple con octeto, por lo tanto, se deben deslocalizar pares de electrones para formar enlaces dobles: − O−S− O Finalmente, se determina que la molécula de anhídrido sulfuroso tiene geometría angular, con 2 ligantes y un par de electrones libres en el átomo central. Tipo de Molécula molécula

Estructura de Lewis

Pares enlazantes

Cl Be Cl

2

Distribución de los pares electrónicos

Geometría de la molécula 180º

AB2

BeCl2

A

Cl Be

Cl

Lineal

AB3

BF3

F F

B

Lineal F

F

3

120º A

B F

Plana trigonal

F

AB4

CH4

H

C H

4

H

109,5º

A

Cl

5

A

Cl

F AB6

SF6

F

S F

Cl 120º

Cl

Bipiramidaltrigonal



90º P

Cl

Cl Cl

F

Tetraédrica

Cl

Bipiramidaltrigonal 90º

F

F F

F

6

S

F

F F

90º

F Octaédrica

Octaédrica

Preuniversitarios

PCl5

H

H

Tetraédrica

CPECH

AB5

C

H

Cl Cl P

Plana trigonal

H

H

37

capítulo

1



Por último, es conveniente indicar que existe un concepto importante relacionado con el enlace químico: Hibridación. Tiene relación con un aumento del número de electrones desapareados, producto de un reordenamiento de los orbitales apareados. El principal ejemplo de hibridación lo representa el átomo de carbono. 2

2

C (IVA) = ns np 2

1

1

0

ns px py pz

1

Hibridación

1

ns   Px

Py

1

1

Pz

I...................................................................................................II

Molécula

SO2

Estructura de Lewis

O

S

O

Pares enlazantes

Pares libres

Distribución de los pares electrónicos

2

1

S O

Geometría de la molécula

S O

O

O

Plana trigonal

H2O

H

O H

2

O

2

angular

H O

H Tetraédrica

NH3

H

N H

3

1

H

104,5º

H

H

angular

N H

H

107,3º N

H

H

H

H

Tetraédrica

Molécula

Estructura de Lewis

NO2 (Nitrito)

N O

O

Pares enlazantes

Pares libres

2

1

Distribución de los pares electrónicos

Preuniversitarios

CPECH 38

CIO3 (Clorato)

Geometría de la molécula

N

N O

C O

O

O Cl O O

3

0

O

1

O

O

O

O Triangular plano

Cl O Tetraédrica

2

C

C O O Triangular plana

3

O angular

O

O 2

(Carbonato)

Piramidal trigonal

O O Triangular plana

CO 3

119,5º

Cl

O O

O Piramidal trigonal

Preuniversitarios

Catión

Anión

Ganancia

CPECH

Pérdida

Electrón

Nº atómico

Protón

Partículas subatómicas

Átomo

Teoría atómica

Síntesis de contenidos

Nº másico

Neutrón

Polar

Radio atómico

Apolar

Covalente

Potencial de ionización

Iónico

Dativo

Electro afinidad

Propiedades periódicas

Geometría molecular

Estructura de Lewis

Enlace químico

Electronegatividad

Capítulo 1

Teoría atómica

39

capítulo

1

Actividades 1. ¿Cuántos protones, electrones y neutrones contienen los siguientes átomos?



37



8



27

Rb 85 : ________________________________

3

Li 7

: ________________________________

2

He 4 : ________________________________

Co 59 : _______________________________

5

B 11

O 16

: ________________________________

: ________________________________



2. Escriba las configuraciones electrónicas de 11Na, 13Al, 19K, 20Ca y 7N. Considere para su desarrollo el siguiente ejemplo: Na : 11 protones (+) 11 electrones (-)

11

2

2

6

1

11

Na

: 1s 2s 2p 3s

13

Al

:

K

:

Ca

:

N

:

19

20



7

3. Escriba las configuraciones electrónicas para los siguientes átomos e iones: +1

Na

=

11





-1

Cl =

17 +3

Al =

13



35



8

-1

CPECH

Preuniversitarios



40

Br = -2

O = +2

Be

=

Cu+

=

Ni+3

=

4

29

28



Capítulo 1

Teoría atómica

4. Relacionar los conceptos de la columna A con aquellos ubicados en la columna B.

Columna A

Columna B

1. Ne

__________

Grupo I A.

2. Unión entre los grupos I A y VII A

__________

Igual nº de neutrones.

3. 7N14 y 6C14

__________

Protones+Neutrones.

4. Configuración ns2 np5

__________

Catión.

5. Isótonos

__________

Isóbaros

6. Na +

__________

Gas Noble

7. Número másico

__________

n, l, m, s

8. Alcalinos

__________

Halógenos

9. Números cuánticos

__________

Enlace Iónico

CPECH Preuniversitarios

41

capítulo

1

Ejercicios

Ejercicios resueltos 1. El átomo neutro de Hierro (Fe) tiene un número másico igual a 56 y el número de electrones que posee es de 26. Con estos datos, se puede afirmar que el número de neutrones y el número atómico del Fe es, respectivamente: n° z A) 26 30 B) 56 26 C) 30 26 D) 26 56 E) 82 26 Alternativa: C. Habilidad: Aplicación. Defensa: El número másico corresponde a la composición nuclear de protones y neutrones, en este caso 56. En un átomo neutro la cantidad de electrones es igual a la de protones, es decir, el número atómico (26). De esta forma, la cantidad de neutrones de un átomo se calcula a través de la diferencia entre el número másico y el atómico: 56-26 = 30.

2. Es (son) isótopo(s):

CPECH

Preuniversitarios



42

16 17 18 8 O, 8 O, 8 O

I)

II)

1 1

III)

228 229 89 Ac, 89 Ac

IV)

238 279 92 U, 92 U



A) B) C) D) E)

H,

4 2

He

Sólo III. Sólo IV. Sólo II y IV. Sólo I, III y IV. I, II, III y IV.

Alternativa: D. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: Los isótopos son átomos de un mismo elemento que, por lo tanto, poseen igual número atómico (Z) pero distinto número másico (A), es decir, tienen diferente cantidad de neutrones a pesar de ser el mismo elemento.

3. Si se combina un elemento X perteneciente al grupo II A del Sistema Periódico con otro elemento Y perteneciente al grupo VII A:

I) El compuesto presenta enlace iónico. II) El compuesto presenta enlace covalente polar. III) El compuesto es apolar. IV) Se forma un enlace covalente apolar.



A) B) C) D) E)

Sólo I. Sólo I y III. Sólo I y IV. Sólo II y III. Sólo II y IV.

Alternativa: A. Habilidad: Comprensión. Defensa: Cuando se combinan elementos de los grupos IIA y VIIA se está produciendo la unión entre elementos que tienen electronegatividades muy diferentes, de esta manera, los elementos del grupo IIA tienden a ceder electrones, mientras que los del grupo VIIA tienden a captar electrones. El enlace establecido entre átomos será de tipo iónico. 4. Un átomo neutro posee una configuración electrónica [18Ar] 4s2 3d10 4p3, los números cuánticos principal (n) y secundario (l) son respectivamente: A) 4 y 0 B) 4 y 1 C) 3 y 2 D) 0 y 4 E) 1 y 4 Alternativa: B. Habilidad: Análisis. Defensa: Los números cuánticos permiten conocer la ubicación del último electrón en un átomo. A través de la configuración electrónica es posible determinar los números cuánticos identificando el último nivel energético en el que ingresó el último electrón. En este caso ingresó en 4p3 donde el número cuántico principal (n) se corresponde con el periodo en el que se encuentra el elemento (4), y el número cuántico secundario (l) es el tipo de orbital, en este caso p, que equivale al valor cuántico 1.

Teoría atómica

Capítulo 1

Ejercicios 5. Para que se produzca la unión iónica entre dos átomos en aquellas situaciones en que se cumpla(n) alguna(s) de estas características, los átomos deben poseer:

I) II) III)

Gran diferencia de electronegatividad. Igual valor de electronegatividad. Similar valor de electronegatividad.



A) B) C) D) E)

Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y III. Sólo II y III.

Alternativa: A. Habilidad: Comprensión. Defensa: La unión iónica se establece entre átomos que presentan gran diferencia de electronegatividad, con lo cual, el de menor electronegatividad cede electrones y el de mayor electronegatividad los capta, transformándose ambos elementos en iones.

2. ¿Cuál de las propiedades que se indican crece al bajar en el grupo de los halógenos (VIIA)? A) Radio atómico. B) Electronegatividad. C) Estado de oxidación negativo. D) Reactividad frente al H2. E) Potencial de ionización.

3. El carbono presenta dos isótopos cuyas notaciones 12 13 son 6 C, 6 C. Las características comunes a ellos son el número de I) electrones. II) neutrones. III) protones.

A) B) C) D) E)

Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. Sólo I y III.

Ejercicios propuestos 1. El enlace que se produce entre el 11Na y 17CI puede representarse como sigue, teniendo presente que los electrones del Na se representan por un punto y los e del CI por una cruz. (Na grupo I A y CI grupo VII A).

xx

A) Na+

B) Na

x x

Cl xx xx

4. Si el número atómico del Be es 4, la configuración electrónica del ion Be+2 es

A) B) C) D) E)

2

2

1s 2s 2 2 2 1s 2s 2p 2 2 6 1s 2s 2p 2 2 1s 2s 2p1 2 1s

CI -

C) Na+ • CI-

xx

xx

Preuniversitarios

E) Na • x Cl xx

CPECH

D) Na x• CI-

43

capítulo

1

Ejercicios

5. En la figura se muestra la ubicación de algunos elementos del sistema periódico.

I — A

VII — A

Li Na K Rb Cs

F CI Br I

Con estos datos, determine qué molécula presenta el enlace más iónico. A) CsF B) NaBr C) NaCI D) LiI E) KCI

Aplicación

E

4

Análisis

E

3

Comprensión

A

2

Aplicación

A

1

Alternativa

Número

Habilidad

CPECH

Análisis

A

44

5

Preuniversitarios

Respuestas correctas

Capítulo 2

nomenclatura inorgánica Aprendizajes Esperados

Identificar estados de oxidación. Nombrar y reconocer compuestos inorgánicos. Relacionar la nomenclatura inorgánica con los distintos minerales. Reconocer los distintos minerales de acuerdo a su fórmula química. Reconocer la dureza de un mineral utilizando la escala de Möhs.

Un elemento puede tener una o varias cargas eléctricas. Su estado de oxidación está relacionado, en parte, con el grupo al cual pertenece.

capítulo

2

Nomenclatura inorgánica

1. Nomenclatura inorgánica Para nombrar los distintos compuestos químicos e iones, es necesario conocer los siguientes aspectos: • El nombre del elemento. • Estado de oxidación. Ahora bien, el nombre de un determinado elemento tiene su origen en el nombre del país donde fue descubierto, en la raíz del nombre del descubridor, etc. Veamos algunos ejemplos: Carbono de Carboneum Oro de Aurum Plata de Argentum Plomo de Plumbum Estaño de Stannum Zinc del alemán zink Hidrógeno de Hydrogenium (engendrar el agua) Nitrógeno de Nitrogenium (el que forma nitro) Oxígeno del griego oxigenium (engendrador de ácidos) Níquel del alemán Kupfernickel (el diablo de cobre)

Titanio de la mitología (titanes) Platino del diminutivo de plata Flúor de Phtoros (descomposición) Bromo del griego bromos (hediondo) Litio del griego Litheos (piedra) Magnesio de Magnesia Calcio del latín calx (cal) Einsteinio en honor a Albert Einstein Mendelevio en honor a Mendeléev Radio del latín emisor de rayos

1.1 Estado de oxidación (EDO) Es la carga eléctrica que presenta el elemento. Ésta puede ser positiva o negativa. Además, un elemento puede tener una o varias cargas. Por lo tanto, el estado de oxidación de un elemento está relacionado, en parte, con el grupo al cual pertenece. A continuación, presentaremos una lista con elementos y sus estados de oxidación.

CPECH

Preuniversitarios

1.1.1 Estados de oxidación positivos

46

+1 : H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Ag +2 : Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd +3 : B, Al, Ga, In, Sc, La, Ac +4 : Ge +1 y +2 : Cu, Hg +1 y +3 : Tl, Au +2 y +3 : Fe, Co, Ni +2 y +4: C, Si, Sn, Pb, Pt

+3 y +4: Ti, Zr +3 y +5: N, P, As, Sb, Bi, V +4 y +6: S, Te, Se +2, +3 y +6: Cr +2, +4 y +6: Mo, W +1, +3, +5 y +7: Cl, Br, I, F +2, +3, +4, +6 y +7 : Mn

Se llama estado de oxidación de un elemento en un compuesto a la valencia que tiene dicho elemento en este compuesto con el signo que le corresponde. En algunos casos, el estado de oxidación no coincide con la valencia del elemento, como sucede en ciertos compuestos orgánicos.

Nomenclatura inorgánica

Capítulo 2

1.1.2 Estados de oxidación negativos -1 : H, F, Br, I, Cl -2 : O, S, Te -3 : N, P -4 : C, Si -1 y -2 : O

Grupo Estado de oxidación más común E L E M E N T O S

Grupo Estado de oxidación más común E L E M E N T O S

IA

IIA

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

+1

+2

+3

+4

+5

+6 -2

+7 -1

B

C (-4,+2)

N (+3,-3)

S (+2,+4)

(+1,+3,+5,+7)

Se

Br (+1,+3,+5)

H (-1) Li Na K Rb Cs Fr

Be Mg

Al

Si (-4,+2)

P (+3,-3)

Ga

Ge

As (+3)

In

Sn (+2)

Sb (+3)

TI (+1)

Pb (+2)

Bi (+3)

Ca Sr Ba Ra

Cl

Te (+4)

I (+1,

0 (-2,-1)

At (+1,

+5) +5) F(-1)

IB

IIB

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

VIIIB

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

+2

Cu (+2)

Zn

Ag

Cd

Au (+3)

Hg (+1)

Sc Y La Ac

Fe (+3) Ti (+3) Zr Hf

V (+3)

Cr (+2,+3)

Nb (+3) Mo (+2,+4) Ta

W (+2,+4)

Mn (+2,+3,+4,+6)

Co (+3)

Tc (+2,+4)

Ni (+3)

Re (+1,+2,+4,+6)

Ir (+3) Pt (+4)

Un estado de oxidación determinado, se va a manifestar en presencia de otros elementos.

CPECH Preuniversitarios

47

2. Determinación de los estados de oxidación en compuestos

capítulo

2

Para asignar la nomenclatura a los diversos compuestos inorgánicos, es fundamental saber el estado de oxidación de los elementos que participan en la formación de los mismos, ya que esto permite, en la nomenclatura tradicional, diferenciarlos. Para una mayor claridad, se presentan a continuación las reglas de estados de oxidación: Regla

Ejemplo

El estado de oxidación de las moléculas monoelementales o elementos en estado libre es cero.

O2 EDO = 0 S8 EDO = 0

Sólo un átomo de un compuesto actúa con estado de oxidación negativo (extremo izquierdo) y el resto positivo.

H2SO4 el oxígeno actúa con EDO negativo, azufre e hidrógeno con EDO positivo

El EDO de los elementos del grupo IA, IIA y IIIA, son respectivamente +1, +2 y +3.

Na+1 Ca+2 Al+3

El EDO del hidrógeno es –1 en hidruros y +1 en hidrácidos.

HCl hidrógeno EDO= +1 NaH hidrógeno EDO= –1

El EDO del oxígeno en general es –2, salvo en los peróxidos que es –1.

H2SO4 oxígeno EDO= –2 H2O2 oxígeno EDO= –1

La suma de los estados oxidación de los átomos es igual a la carga de la molécula.

H2SO4 molécula EDO= 0 PO3–3 molécula EDO= –3

Para realizar esta determinación, vamos a distinguir tres casos:

a. Compuesto neutro b. Compuesto positivo c. Compuesto negativo

a. Compuesto neutro En este caso, la suma de los estados de oxidación es cero. Ejemplo

CPECH

Preuniversitarios

H2O

48

→

2 H+ + O-2

AgNO3

→

K2Cr2O7

→

2(+1) + (-2) = 0

Ag+ + N+5 + 3 O-2 +

+6

2 K + 2 Cr

-2

+7O

La valencia es la capacidad que tiene un elemento para combinarse con otros, lo que se mide por el número de enlaces que forma con otros átomos, cuando un átomo de un elemento dado forma una combinación química.

(+1) + (+5) + 3(-2) = 0 2(+1) + 2(+6) + 7(-2) = 0

Si no se conoce el estado de oxidación de un elemento determinado, se puede establecer conociendo el estado de oxidación de los otros elementos que conforman el compuesto. Ejemplo: CaO → Ca + O-2 x + (–2) x 1 = 0 x–2=0 x = +2

Nomenclatura inorgánica

Capítulo 2

Por lo tanto, el estado de oxidación del Ca es +2. b. Compuesto positivo La suma de los EDO debe ser positiva según indique la carga del compuesto. Ejemplo: NH

+

4

→ N-3 + 4 H+ (-3) + 4 (+1) = +1

Al igual que en el caso anterior, también se puede conocer el EDO de un elemento en base al otro.

c. Compuesto negativo La suma de los EDO debe ser negativa según indique la carga del compuesto. Ejemplo: SO4-2 → S+6 + 4 O-2 1 (+6) + 4 (–2) = –2 PO4-3 → P+5 + 4 O-2 1 (+5) + 4 (–2) = –3

Los nombres que usan los números romanos, corresponden a la nomenclatura Stock y los que usan sufijos, a la nomenclatura tradicional.

2.1 Iones positivos o cationes Los que tienen un solo estado de oxidación: H+ : ión hidrógeno Ca+2 : ión calcio Al+3 : ión aluminio

Fe+2 : ión hierro (II) ó ión ferroso Cu+1 : ión cobre (I) ó ión cuproso Cu+2 : ión cobre (II) ó ión cúprico N+3 : ión nitrógeno (III) ó ión nitroso N+5 : ión nitrógeno (V) ó ión nítrico

Preuniversitarios

Fe+3 : ión hierro (III) ó ión férrico

CPECH

Los que tienen dos estados de oxidación:

49

capítulo

2

Se puede observar que la primera forma de nombrarlos, conserva el nombre del elemento y entre paréntesis, el estado de oxidación en números romanos. La segunda forma usa sufijos, “oso” e “ico”, para indicar con el primero (oso) el menor estado de oxidación y con el segundo (ico), el mayor estado de oxidación. Estos sufijos sólo proceden cuando hay dos estados de oxidación. Los elementos que tienen más de dos estados de oxidación: Cl+ : ión cloro (I) ó ión hipocloroso Cl+3 : ión cloro (III) ó ión cloroso Cl+5 : ión cloro (V) ó ión clórico Cl+7 : ión cloro (VII) ó ión perclórico Como vemos, en el caso del halógeno cloro, que presenta cuatro estados de oxidación, se hace uso de la nomenclatura tradicional de prefijos y sufijos. Es decir:

+1 +3 +5 +7

hipocloroso cloroso clorico perclorico

2.2 Iones negativos o aniones Tienen un sólo estado de oxidación: H – : ión hidruro F – I

–



: ión fluoruro

: ión yoduro

Br – : ión bromuro

S –2 : ión sulfuro

Vemos que el sufijo uro es característico para los elementos que presentan estados de oxidación negativos.

3. Compuestos binarios

CPECH

Preuniversitarios

Los compuestos binarios están formados por dos elementos, independientes del número en que estén. A continuación presentaremos la clasificación de ellos.

50

• Óxido básico • Anhídridos u óxidos ácidos • Hidruros • Hidrácidos • Peróxidos • Sales binarias

3.1 Compuestos oxigenados Son compuestos binarios en los cuales el oxígeno es el elemento más electronegativo.

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

3.1.1 Óxido básico Están formados por metales con estados de oxidación bajos (+1, +2 o +3). Son compuestos sólidos, iónicos, con puntos de fusión y ebullición elevados y que presentan el anión oxígeno (O–2) en su estructura. Los óxidos de los metales alcalinos (I A) y de los alcalinos térreos (II A) reaccionan con el agua. Los demás óxidos básicos, son poco solubles en agua.

Metal + O2 → óxido básico



4 K + O2 → 2 K2O

En general, cuando los óxidos básicos reaccionan con agua, producen una base o si reaccionan con un ácido, producen una sal y agua. Ejemplo: Na2O + H2O → 2NaOH Na2O + 2HCl → 2NaCl + H2O Nomenclatura de óxidos básicos Se pueden nombrar de acuerdo a nomenclatura Stock o de acuerdo a la nomenclatura tradicional. 1. Cuando el elemento forma sólo un óxido, se le nombra: (Nombre del elemento)

• Stock: Óxido de ______________________________ (estado de oxidación en números romanos) (Nombre del elemento) • Tradicional: Óxido ______________________________ ico Ejemplo: compuesto Na2O Stock: Óxido de Sodio Tradicional: Óxido Sódico 2. Cuando el elemento forma más de 1 óxido, se tiene: (Nombre del elemento)

• Stock: Óxido de ______________________________ (estado de oxidación en números romanos) • Tradicional: Óxido ______________________________oso (estado de oxidación menor) Óxido ______________________________ico (estado de oxidación mayor)



Ejemplo: compuesto CuO Stock: Óxido de Cobre (II) Tradicional : Óxido Cúprico

Preuniversitarios

Ejemplo: compuesto Cu2O Stock: Óxido de Cobre (I) Tradicional : Óxido Cuproso

CPECH



51

capítulo

2

3.1.2 Anhídridos u óxidos ácidos Son compuestos moleculares, generalmente solubles en agua, formados por no metales. Por este motivo, son compuestos principalmente gaseosos. En los anhídridos, el oxígeno presenta un estado de oxidación –2.

No metal + O2 → anhídrido



S + O2 → SO2

Los óxidos ácidos o anhídridos son óxidos que reaccionan con agua, produciendo un ácido, o reaccionan con una base, produciendo sal y agua.

SO3 + H2O → H2SO4



SO3 + 2NaOH → Na2SO4 + H2O

Nomenclatura de anhídridos u óxidos ácidos (Nombre del elemento)

• Stock: Óxido de ______________________ (estado de oxidación en números romanos) • Tradicional: (Nombre del elemento)

Sabías que... La principal forma de transporte del dióxido de carbono, generado del metabolismo celular, es como ión bicarbonato (HCO3−), después que la enzima anhidrasa carbónica, presente en los glóbulos rojos, hace reaccionar el CO2 con el agua para generar el oxácido inestable H2CO3, el cual se disocia rápidamente en los iones H+ y HCO3−.

Anhídrido ______________________________ oso Estado de oxidación menor (Nombre del elemento)

Anhídrido ______________________________ ico Estado de oxidación mayor Vemos que, a diferencia del anterior, en la nomenclatura tradicional se usa el término anhídrido. Esto facilita la comparación entre óxido básico y óxido ácido. Ejemplo: compuesto SO2 Stock: Óxido de Azufre (IV) Tradicional: Anhídrido Sulfuroso

CPECH

Preuniversitarios

Ejemplo: compuesto SO3 Stock: Óxido de Azufre (VI) Tradicional: Anhídrido Sulfúrico

52

También en los anhídridos y óxidos el nombre del compuesto puede asignarse de acuerdo al número de oxígenos presentes con el auxilio de los prefijos mono, di, tri, etc. Éste tipo de nomenclatura recibe el nombre de sistemática. Ejemplos CO

Monóxido de carbono

CO2

Dióxido de carbono

Al2O3

Trióxido de dialuminio

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

Los diferentes tipos de óxidos, ya sean básicos o ácidos, se distribuyen a lo largo de la tabla periódica como sigue:

IA

II A

III A

IV A

E2O

EO

E2O3

EO2

Óxidos básicos (iónicos)

VA E2O5

Óxidos anfóteros (moleculares)

VI A EO3

VII A E2O7

Anhídridos (moleculares)

3.1.3 Peróxidos Formados por oxígeno y elementos del grupo I A y II A (representativos). El estado de oxidación del oxígeno es -1. Se nombran anteponiendo la palabra peróxido. Ejemplos H2O2

Peróxido de Hidrógeno o Agua Oxigenada

Na2O2

Peróxido de Sodio

CaO2

Peróxido de Calcio

El agua oxigenada es un líquido molecular, mientras que los demás peróxidos, son sólidos iónicos. El agua oxigenada se descompone con el pasar del tiempo y, principalmente, bajo la acción de la luz, por esta razón se debe almacenar en frascos oscuros. La descomposición se realiza según la siguiente ecuación: 2H2O2 → 2H2O + O2



3.2 Compuestos hidrogenados 3.2.1 Hidruros Son compuestos binarios formados por hidrógeno y un metal o no metal. El estado de oxidación del hidrógeno en los hidruros metálicos es –1. Por lo tanto existen hidruros metálicos como no metálicos (estos últimos utilizan no metales de los grupos IVA y VA).

Metal + H2 → Hidruro



2 Al + 3 H2 → 2 AlH3

Nomenclatura de hidruros

Ejemplo: Compuesto LiH Stock: Hidruro de Litio Tradicional: Hidruro Lítico



Ejemplo: Compuesto PbH2 Stock: Hidruro de Plomo (II) Tradicional: Hidruro Plumboso

Preuniversitarios



CPECH

Ejemplo: Compuesto AlH3 Stock: Hidruro de Aluminio Tradicional: Hidruro Alumínico

53

capítulo

2

3.2.2 Hidrácidos Sabías que... El jugo gástrico posee un pH cercano a 1,5 debido a la presencia del ácido clorhídrico (HCl) dentro de su composición. Este ácido puede corroer el hierro, pero no daña al estómago debido a la presencia de mucus que recubre las paredes gástricas. La úlcera se origina cuando hay una secreción excesiva de jugo gástrico o una secreción insuficiente de mucus protector.

Formados por hidrógeno y un no metal. Este pertenece al grupo VIA y VIIA. Hidrógeno presenta estado de oxidación +1

No metal + H2 → Hidrácidos

Cl2 + H2 → 2 HCl Nomenclatura de hidrácidos El nombre es construido con la terminación hídrico. (Nombre del elemento)

Ácido

hídrico



HCl : Ácido clorhídrico HI : Ácido yodhídrico HF : Ácido fluorhídrico H2S : Ácido sulfhídrico HCN : Ácido cianhídrico Se observa que el estado de oxidación del hidrógeno es +1. Este es el que presenta en la mayoría de los compuestos, a excepción de los hidruros. El término ácido tiene relación con el pH que manifiestan estos compuestos.

3.3 Sales binarias Están formadas por un elemento metálico y otro no metálico. Se nombra primero el anión con terminación uro y luego, el metal. En el caso de las sales binarias, también se puede aplicar la nomenclatura tradicional. Ejemplos

FeS Stock: Sulfuro de Hierro (II) Tradicional: Sulfuro Ferroso

CPECH

Preuniversitarios

FeI3 Stock: Yoduro de Hierro (III) Tradicional: Yoduro Férrico

54

NaCl Stock: Cloruro de Sodio Tradicional: Cloruro Sódico

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

4. Compuestos ternarios Los compuestos ternarios están formados por tres elementos, independiente del número que estén presentes.

CaCO3

Los compuestos ternarios que presentaremos son:

Hidróxidos Oxácidos Sales Ternarias NaOH

4.1 Hidróxidos Están formados por un metal y el grupo hidroxilo (OH–), y se generan a partir de óxidos básicos y agua. Ejemplo Na2O + H2O → 2NaOH NaOH Stock: Hidróxido de Sodio Tradicional: Hidróxido Sódico Nomenclatura de los hidróxidos (Stock) (Nombre del elemento)



Hidróxido de

(estado de oxidación en número romano)

Como se observa, se coloca la palabra hidróxido antes del nombre del metal. El grupo OH tiene un estado de oxidación –1. En este caso no es necesario usar paréntesis para el grupo OH–, ya que el metal tiene estado de oxidación +1. Cabe recordar que estos compuestos presentan pH básicos, de ahí que los óxidos básicos, que dan origen a los hidróxidos lleven tal denominación. Otros ejemplos Mg(OH)2 Fe(OH) 2 Stock: Hidróxido de magnesio (II) Stock: Hidróxido de hierro (II) Tradicional: Hidróxido magnésico Tradicional: Hidróxido ferroso Al(OH)3 Stock: Hidróxido de aluminio (III) Tradicional: Hidróxido alumínico

Cu(OH)2 Stock: Hidróxido de cobre (II) Tradicional: Hidróxido cúprico

CPECH Preuniversitarios

55

capítulo

2

4.2 Oxácidos Son compuestos formados por hidrógeno, oxígeno y un no metal. Se originan a partir de anhídridos y agua. Ejemplo

CO2 + H2O → H2CO3 Ácido carbónico Se observa que delante del nombre del elemento va la palabra ácido. En general, en este tipo de compuestos el nombre tradicional predomina sobre el IUPAC. Por otra parte, presenta características de pH ácido, de ahí el nombre del óxido respectivo que lo origina. Además, estos ácidos se disocian, dando origen a otros compuestos, principalmente aniones, junto con la liberación de iones hidrógeno. Veamos la disociación establecida para el ácido carbónico

H2CO3 → H+ + HCO3 –



HCO3– → H+ + CO3–2

Como presenta dos disociaciones, también se dice que es un ácido diprótico (dos iones hidrógeno). Si un ácido tuviera tres disociaciones, sería un ácido triprótico (tres iones hidrógeno), y así sucesivamente. Otros ejemplos de oxácidos

HClO

:

Ácido hipocloroso

HClO2

: Ácido cloroso

HClO3

: Ácido clórico

HClO4

: Ácido perclórico

HNO2

:

HNO3

: Ácido nítrico

H2SO3

: Ácido sulfuroso

H2SO4

: Ácido sulfúrico

Ácido nitroso

H3PO4

: Ácido fosfórico

H3BO3

: Ácido bórico

H2MnO4 : Ácido mangánico HMnO4 : Ácido permangánico H2CrO4

: Ácido crómico

CPECH

Preuniversitarios

H2Cr2O7 : Ácido dicrómico

56

4.3 Sales ternarias Estos compuestos están formados por la unión de un catión y un anión. El anión tiene su origen en un oxácido que ha perdido sus hidrógenos. En general, se puede decir que el nombre de una sal, ya sea binaria o ternaria, deriva del ácido que le da origen. Así, para obtener el nombre de una sal, basta alterar la terminación del nombre del ácido correspondiente de acuerdo con el siguiente código:

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

terminación

terminación

hídrico oso ico

Ácido

Sal

uro ito ato

NaNO2 Stock: Nitrito de sodio Tradicional: Nitrito sódico

El “salitre de Chile” corresponde a una mezcla de sales entre las que se encuentran principalmente:

Fe2(SO4)3 Stock: Sulfato de hierro (III) Tradicional: Sulfato férrico

- Nitrato de sodio (NaNO3): 95,5 % - Nitrato de potasio (KNO3):

2,0 % - Cloruro de sodio (NaCl): 1,5 %.

Ca3(PO4)2 Stock: Fosfato de calcio Tradicional: Fosfato cálcico

Tabla de aniones más frecuentes HCO3 –

Carbonato ácido o bicarbonato

CO3 –2

Carbonato

SO3

Sulfito

–2

HSO3

Sulfito ácido o bisulfito

–

SO4 –2

Sulfato

HSO4 –

Sulfato ácido o bisulfato

NO2

–

Nitrito

NO3

–1

Nitrato

BO3 –3

Borato

ClO –

Hipoclorito

PO3

Fosfito

–3

MnO4

–

Permanganato Fosfato ácido

PO4 –3

Fosfato

SiO4

Silicato

CN

–

CrO4 –2

Cromato

Cr2O7 –2

Dicromato

S2O3

Tiosulfato

–2

Preuniversitarios

Cianuro

–

CPECH

HPO4 –2

57

+O(II) Óxidos básicos

+H2O

+H2O

Óxidos ácidos o anhídridos

Hidróxidos

Oxácidos

Sales neutras de oxácidos

Preuniversitarios

Elementos metálicos

+H(I)

Hidruros

Síntesis de contenidos

capítulo

Sales binarias

+O(II)

Hidruro

+H(I)

Elementos no metálicos

Hidrácidos

Se incluye la formación de sales binarias y terciarias.

58

Esquema de formación de compuesto a partir del elemento, en el cual se pueden observar todos los caminos de formación.

CPECH

2

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

Sabías que... Corona

Flúor en el agua potable

Esmalte

La remineralización de los dientes Marfil

El flúor es un elemento no metálico que, agregado al agua potable en forma de sales de sodio, protege el esmalte dental, ayudando a reducir la incidencia de caries en la población.

Pulpa dentaria Cuello

Según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS), las caries dentales afectan a más del 90% de la población. El problema se agrava aún más si se considera que en el país existen alrededor de 7.000 odontólogos, cantidad insuficiente para atender las necesidades de la salud bucal de los chilenos.

Cemento óseo Raíz

Desde la década de los años 90, prevalece una controversia en Chile sobre la necesidad de agregar flúor al agua potable para reducir las caries dentales. Los dientes están protegidos por una delgada capa de esmalte que consiste en hidroxiapatita (Ca5 (PO4)3 OH), que por efecto de la saliva

se disuelve según el proceso de la desmineralización representado por la ecuación (1).

La presencia del ión flúor (F−) en el agua como fluoruro de sodio (NaF), reemplaza los iones hidroxilos, en un proceso de remineralización, como lo indica la ecuación (2). En estas condiciones, el esmalte es más resistente a la acción de ácidos que se liberan en la boca debido a la degradación de los alimentos y a la acción de la saliva. A causa de que algunos estudios han mostrado que el flúor puede ocasionar fluorosis dental (aparición de manchas blancas en los dientes), fracturas óseas y osteosarcoma (un tipo de cáncer óseo), es que un grupo de científicos ha manifestado cierta resistencia a la iniciativa de adicionar flúor al agua potable. Sin embargo, investigaciones del Ministerio de Salud no han encontrado antecedentes que apoyen el aumento de éstas y otras enfermedades en lugares donde la concentración de flúor es alta. Además, la aplicación de la medida se basa en los resultados obtenidos en la ciudad de Valparaíso, donde después de 10 años de ingerir agua fluorada, los niños de 4 a 5 años de edad han disminuido su promedio de caries de 5,3 a 1,4, y el porcentaje de niños sin caries ha aumentado de 5,7% a 12,37%. Además, en estos jóvenes las caries demoran mucho más en manifestarse que en los santiaguinos.

(2) 5Ca+2(ac)+ 3PO4-3(ac) +F-(ac) → Ca5 (PO4)3 F(s)

Preuniversitarios

(1) Ca5 (PO4)3 OH (s) → 5Ca+2 (ac) + 3PO-3 4+(ac)OH- (ac)

CPECH

En concreto, si no hay evidencias claras de riesgos para la población, el Ministerio de Salud pondrá en marcha su plan de fluoración del agua en Santiago y Concepción. Luego se irá extendiendo al resto del país.

59

capítulo

2

5. Mineralogía De los elementos químicos que existen en la naturaleza son sólo 8 los que conforman casi el 98% de la corteza terrestre. Los elementos más abundantes son el Oxígeno (46,6%) y el Silicio (27,7%). Sin embargo, muy pocos elementos se encuentran en forma nativa, gran parte de ellos se hayan formando compuestos y como tales, pueden reaccionar con otros compuestos o elementos, produciendo nuevas combinaciones químicas y dando origen a un mineral.

5.1 Rocas Son agregados inorgánicos y naturales formados por uno o más minerales en diversas proporciones. A nivel de litósfera, se distinguen tres tipos de rocas que se diferencia por su distinta formación. Tipo de Roca Ígnea o Magmáticas Sedimentaria

Metamórfica

Característica Se origina por solidificación del magma o lava, en la superficie o en profundidad. Se origina por desintegración de rocas de superficie, los cuales se depositan en el fondo marino, ríos y lagos. Se forman a partir de rocas ígneas y sedimentarias, debido principalmente a condiciones tales como presión y temperatura.

5.2 Mineral Es un elemento o compuesto químico formado a través de un proceso natural. A pesar de las posibles variaciones en su composición, los minerales se representan por fórmulas químicas. ELEMENTOS QUÍMICOS

MINERAL

ROCA

Si

O

O

K

cuarzo

Al

Si

Plagioclasa

O

Na

CPECH

Preuniversitarios

Fe

Mg

60

ARENISCA GRANITO

Feldespato Olivino Un conjunto de elementos químicos forma un mineral

BASALTO Un conjunto de minerales se llama roca

5.2.1 Propiedades de los minerales Todo mineral puede ser caracterizado por propiedades físicas que lo identifique. Dentro de estas propiedades, se destacan la exfoliación y la dureza del mineral. - Exfoliación: Si por ejemplo se golpea un mineral de calcita, éste se rompe en muchos fragmentos que tienen la misma forma que la del cristal del cual proceden (romboedros). Esta tendencia del mineral a partirse a lo largo de una o más direcciones cuando es golpeado o comprimido se llama exfoliación.

Capítulo 2



Nomenclatura inorgánica

La exfoliación está muy relacionada con la estructura del cristal, es decir, con la fuerza de enlace de los átomos que lo componen. Así, algunos de estos enlaces son más débiles en unas direcciones que en otras.

- Dureza: Es la resistencia que ofrece la superficie lisa de un mineral a ser rayada. El mineralogista Friedrich Möhs estableció, en 1812, una escala de dureza aún vigente. Seleccionó diez minerales tipo y los dispuso de tal forma que cada uno pudiera rayar sólo a los anteriores y fuera rayado por los posteriores. La escala presenta 10 niveles de dureza que van del 1 al 10. Escala de Möhs Dureza



Mineral

Equivalente diario

Gema o mineral comparativo

1

Talco

Polvos de talco

Grafito (lápiz mina)

2

Yeso

Uña del dedo

Azufre

3

Calcita

Moneda de bronce

Oro, Plata, Cobre

4

Fluorita

Clavo de hierro

Platino

5

Apatito

Vidrio

Lapislázuli

6

Ortoclasa

Cortaplumas

Jade,

7

Cuarzo

Cuchillo de acero

Esmeralda, Circón

8

Topacio

Papel lija

Ojo de gato, Berilio

9

Corindón

Rubí

Zafiro, rubí

10

Diamante

Diamante sintético

Diamante

Sabías que... La mayoría de las piedras preciosas o gemas tienen una dureza de 7 o más. Pero hay algunas gemas que tienen una dureza inferior cómo por ejemplo el Jade (6.5), Lapislázuli (5-5.5), Opalo (5.5-6.5), Turquesa (5-6) o Feldespatos(6-6.5) cómo la Moonstone, o Sunstone.

La dureza de un mineral depende de su composición química y también de la disposición de sus átomos. Cuanto más grande son las fuerzas de enlace, mayor será la dureza del mineral. El grafito y el diamante, por ejemplo, son de la misma composición química, solamente se constituyen de átomos de carbono. Sin embargo, el grafito tiene una dureza según Möhs de 1, mientras que el diamante una dureza de 10 en la misma escala.

5.3 Clasificación de los minerales Aunque en la naturaleza se conocen más de 2000 minerales y todavía se siguen descubriendo minerales nuevos, solamente unos pocos de ellos componen la mayor parte de la corteza terrestre.

CPECH

La clasificación mineralógica moderna se basa en la composición química, atendiendo al ión negativo presente en cada estructuras. Así, se establecen categorías o clases de minerales dependiendo de los átomos, moléculas o iones que los componen.

Preuniversitarios

61

capítulo

2

5.3.1 Elementos nativos

diamante

Son los elementos que pueden encontrarse en la naturaleza sin combinar con átomos de otros elementos. • • • • •

Oro (Au) Cobre (Cu) Azufre (S) Plata (Ag) Diamante

oro

5.3.2 Sulfuros

Pirita

Galena

Son minerales que presentan el ión sulfuro (S-2) en su estructura. Tienen propiedades semiconductoras, y por su aspecto, se asemejan a los semimetales. Existen algunas especies de gran interés industrial pues de éstos se extraen casi todos los metales no férreos. • • • • •

Galena (PbS) Pirita (FeS2) Calcopirita (CuFeS2) Argentita (Ag2S) Blenda (ZnS)

5.3.3 Halogenuros

Halita

Flourita

Pequeño grupo de minerales formados por sustancias similares a la sal de mesa, procedentes de la evaporación de aguas o bien, derivadas de transformaciones de otros minerales e incluso de depósitos volcánicos. Son minerales cuyos aniones característicos son los halógenos (grupo VIIA). • Halita (NaCl) • Silvina (KCl) • Flourita (CaF2)

CPECH

Preuniversitarios

5.3.4 Óxidos

62

Grupo de minerales formados por metales (o semimetales), más oxígeno. Algunos de ellos tienen gran interés industrial y pueden presentarse en grupos cristalizados muy vistosos. Existen óxidos oscuros, mientras que otros son muy claros. Hematita

• Cuprita (Cu2O) • Corindón (Al2O3) • Hematita (Fe2O3)

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

5.3.5 Carbonatos Grupo de minerales que presenta al anión carbonato (CO3-2) en su estructura. Presentan dureza 2 según la escala de Möhs. • Calcita (CaCO3) • Malaquita (CuCO3)

Calcita

5.3.6 Nitratos, fosfatos y sulfatos Generalmente se trata de grupos formados por alteraciones de distintos minerales metálicos de colores atractivos y con espléndidos cristales, usualmente pequeños. Los nitratos y fosfatos presentan amplio uso en la agricultura como fertilizantes. Yeso

• Salitre potásico (KNO3) • Yeso (CaSO4 x 2 H2O) • Apatito (Ca3(F, Cl, OH)(PO4)x)

5.3.7 Silicatos

Apatito

Es el grupo más importante debido a la abundancia de silicio que se encuentra en la corteza terrestre. Los silicatos se presentan a como cristales de dimensiones variables y, se caracterizan la mayor parte de ellos por una elevada dureza (7 según Möhs). • Circón (ZrSiO4)

Talco

• Cuarzo (SiO2) • Talco (Mg3Si4O10(OH)2 • Mica (KAl2(AlSi3)O10(OH)2 Cuarzo

CPECH Preuniversitarios

63

Natural

Sintético

Preuniversitarios

Elemento

Mineral

Roca

Ganga

64

capítulo

Síntesis de contenidos

Escala de Möhs

Mena

CPECH

2

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

Actividades 1. Determine el estado de oxidación de los siguientes compuestos o iones: N en HNO3

: _____________________________________________________________

Mn en (MnO4)-2

: _____________________________________________________________________

H en H2O2

: _____________________________________________________________________

CI en HClO3

: _____________________________________________________________________

Cr en K2 Cr2 O7

: _____________________________________________________________________

Fe en Fe2 (SO3)3

: _____________________________________________________________________

Pb en Pb(SO4)2

: _____________________________________________________________________

S en H2S2O3

: _____________________________________________________________________

Ca en CaO2

: _____________________________________________________________________

K en K2O

: _____________________________________________________________________

2. Señale el nombre IUPAC y TRADICIONAL de los siguientes compuestos:

Tradicional ___________________________________

FeO

: ___________________________________

___________________________________

N2O3

: ___________________________________

___________________________________

Cl2O

: ___________________________________

___________________________________

Br2O7

: ___________________________________

___________________________________

PbO

: ___________________________________

___________________________________

SnO2

: ___________________________________

___________________________________

Na2SO4

: ___________________________________

___________________________________

AlPO4

: ___________________________________

___________________________________

Preuniversitarios

IUPAC : ___________________________________

CPECH

CuO

65

capítulo

2

3. Complete la siguiente tabla: Fórmula

IUPAC

Tradicional

H2O2 Anhídrido carbónico Al2O3 Anhídrido sulfúrico CI2O5 PbCl2

Cloruro de Plomo (II) Óxido cálcico

4. Complete la siguiente tabla: Fórmula

Clasificación

Nombre IUPAC

Anhídrido

Anhídrido de fósforo (V)

N2O5

Nombre tradicional

Anhídrido de nitrógeno (V) Anhídrido hipocloroso Anhídrido sulfúrico Anhídrido

Anhídrido brómico

Cu2O ZnO SO2

Anhídrido

CaO

Óxido

CPECH

Preuniversitarios

5. Escriba la fórmula de los siguientes compuestos:

66

Fluoruro de cesio

______________________________________________________________



Cloruro cálcico

______________________________________________________________



Ioduro férrico

______________________________________________________________



Sulfato de hierro (II)

______________________________________________________________

Sulfato cúprico

______________________________________________________________



Nitrato de plata

______________________________________________________________



Fosfato de potasio

______________________________________________________________

Tiosulfato de magnesio

_______________________________________________________________

Peróxido sódico

_______________________________________________________________



Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

Bromuro cálcico

_______________________________________________________________

Cromato de potasio

_______________________________________________________________

Sulfuro de zinc

_______________________________________________________________

Óxido niqueloso

_______________________________________________________________

Hidruro de cesio

_______________________________________________________________

Óxido cuproso

_______________________________________________________________

Anhídrido hipocloroso

_______________________________________________________________

Cloruro de plata

_______________________________________________________________

Dicromato de sodio

_______________________________________________________________

Anhídrido nitroso

_______________________________________________________________

Sulfato plumboso

_______________________________________________________________

Óxido férrico

_______________________________________________________________

Anhídrido clórico

_______________________________________________________________

6. ¿Cuál es el nombre de los siguientes iones?

__________________________

Pb+2

__________________________

Ni+2

__________________________

Fe+3

__________________________

Cu+2 Hg+2

__________________________

Hg+

__________________________

__________________________

Ni+3

__________________________

Zn+2

__________________________

Au+

__________________________

Cr+2

__________________________

Ag+

__________________________

S+4

__________________________

S–2

__________________________

CI

__________________________

Na+

__________________________

Br

__________________________

Sn+4

__________________________

_

_

CPECH

Fe+2

Preuniversitarios

67

capítulo

2

7. Nombra los siguientes compuestos según nomenclatura tradicional. 1) Al2O3

11) CuCl2

21) HNO3

31) K2Cr2O7

_____________ _____________ _____________ _____________ 2) MgO2

12) NH4Cl

22) H2SO4

32) NaClO

_____________ _____________ _____________ _____________ 3) Cl2O7 13) KCl 23) H3PO4 33) K2S2O3 _____________ _____________ _____________ _____________ 4) H2S

14) MgCl2

24) H2CO3

34) KClO2

_____________ _____________ _____________ _____________ 5) HCl

15) KF

25) H2Cr2O7

35) Ca3(PO4)2

_____________ _____________ _____________ _____________ 6) HF 16) CuS 26) H2SO3 36) NaNO3 _____________ _____________ _____________ _____________ 7) HBr

17) NaOH

27) HMnO4

37) Fe2(SO4)3

_____________ _____________ _____________ _____________ 8) CaH2 18) Cu(OH)2 28) NiS2O3 38) NaClO4

_____________

_____________ _____________ _____________

9) NH3 19) HNO2 29) Na2SO4 39) NO3 – _____________ _____________ _____________ _____________ 10) CaCl2

20) HClO

_____________

30) CaCO3

_____________ _____________ _____________

8. Relacionar los conceptos de la columna A con aquellos ubicados en la columna B.

CPECH

Preuniversitarios



68

Columna A

40) NaHCO3

Columna B

1. Ión amonio

__________

HCl

2. Hidruro de Aluminio

__________

H3 PO4

3. H2O2

__________

NH3

4. Ión Fluoruro

__________

Hidróxido de sodio

5. Ácido clorhídrico

__________

AlH3

6. Ácido fosfórico

__________

Anhídrido de azufre (IV)

7. NaOH

__________

Agua oxigenada

8. Amoniaco

__________

F–

9. SO2

__________

[NH4]+

Nomenclatura inorgánica

Capítulo 2

Ejercicios Ejercicios resueltos

3. El amoniaco y el ión hidroxilo son respectivamente:

1. Un ejemplo de óxido básico es:

I) OH–

A) NaOH

II) NH3

B) HNO3 C) NaHCO3

D)

SO3



E)

Fe2O3

Alternativa: E. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: El grupo de los óxidos básicos se originan de la unión de un metal con oxígeno, donde éste último actúa con estado de oxidación -2. En este caso el óxido férrico (Fe2O3) corresponde a este grupo.

2. El CaH2 corresponde a un (a):

A) B) C) D) E)

Hidruro. Sal. Anhídrido. Hidrácido. Hidróxido.

Alternativa: A. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: En el compuesto el hidrógeno está asociado al calcio (elemento del grupo IIA) que presenta estado de oxidación +2, por lo tanto, el hidrógeno esta actuando con E.Ox. -1 en vez de su habitual E.Ox. +1, lo que lo identifica como un hidruro.

III) NH4+ IV) H2O

A) B) C) D) E)

Sólo II y I. Sólo I y III. Sólo I y IV. Sólo II y III. Sólo II y IV.

Alternativa: A. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: El amoniaco está constituido por nitrógeno y tres átomos de hidrógeno (NH3), el ión amonio presenta un hidrógeno más por unión dativa con el nitrógeno resultando un catión (NH4+). El ión hidroxilo se origina

de la disociación del agua (H2O → H+ + OH–) y es el componente que en los compuestos inorgánicos caracteriza a los hidróxidos. 4. Uno de los siguientes compuestos es el hidróxido de potasio: A) KH B) K2O C) KHCO3 D) KOH

E)

K2CO3

Preuniversitarios

la unión del grupo hidroxilo (OH–) con un metal, resultando ser sustancias alcalinas. El hidróxido de potasio corresponde al KOH.

CPECH

Alternativa: D. Habilidad: Comprensión. Defensa: Los hidróxidos son compuestos que presentan

69

capítulo

2

Ejercicios

5. Son peróxidos compuestos:

I.

Na2O



II.

BaO2



III. H2O2



IV. H2O



A) B) C) D) E)

algunos

de

los

siguientes

Sólo I y II. Sólo I y III. Sólo I y IV. Sólo II y III. Sólo II y IV.

Alternativa: D. Habilidad: Comprensión. Defensa: Los peróxidos son compuestos binarios constituidos por elementos alcalinos (grupo IA) o alcalinos térreos (grupo IIA) en combinación con oxígeno, el cual presenta estado de oxidación -1 (en vez del habitual -2). De los compuestos solamente en el BaO2 y en el H2O2 el oxígeno actúa con estado de oxidación -1.

Ejercicios propuestos 1. El ácido nítrico reacciona con el hidróxido de potasio formando agua y una sal, cuya fórmula es: HNO3 + KOH → H2O + sal A) KNO2 B) K(NO3)2 C) K2NO3

D)

K2NO2



E)

KNO3

2. El dicromato de amonio es: A) NH4Cr4 B) (NH4)2 CrO4 C) NH4CrO7

D)

(NH4)2Cr2O7



E)

NH4 HCrO4

3. El nombre del compuesto FeO, según la nomenclatura tradicional es:

A) B) C) D) E)

Anhídrido férrico Anhídrico ferroso Óxido ferroso Oxido férrico Ninguna de las anteriores

CPECH

Preuniversitarios

4. Al combinar un elemento M con un elemento X,

70

que proviene de MH3 y H4X respectivamente, el compuesto estará representado por:

A)

MX

B) M2 X2 C) M4 X3

D)

M4 X2



E)

M3 X4

Capítulo 2

Nomenclatura inorgánica

Ejercicios 5. De los siguientes elementos, corresponde a un halógeno (grupo VIIA) el A) Ca B) Na C) F D) S E) He

Respuestas correctas

CPECH Preuniversitarios

71

Comprensión

C

5

Análisis

C

4

Aplicación

C

3

Comprensión

D

Análisis

E

1

Alternativa

Número

2

Habilidad

72

CPECH

Preuniversitarios

Capítulo 3

ESTEQUIOMETRÍA Aprendizajes Esperados

Conocer las leyes que rigen la estequiometría. Aplicar el concepto de mol. Desarrollar relaciones estequiométricas. Describir el comportamiento gaseoso.

La estequiometría tiene por finalidad establecer aquellas relaciones entre los reactantes y productos en una reacción química. Los reactantes son precursores del proceso y los productos la parte final de la reacción, es decir, lo que se formó.

capítulo

3

Estequiometría

1. Estequiometría La estequiometría tiene por finalidad establecer aquellas relaciones entre reactantes y productos en una reacción química. Los reactantes son los precursores del proceso y los productos es lo que se obtuvo una vez finalizada la reacción. Para entender como se establecen estas relaciones, se sugiere conocer las leyes que rigen la estequiometría.

1.1 Ley de la conservación de la masa (ley de Lavoisier) “En toda reacción química la masa de los reactantes será igual a la masa de productos”. m Reactantes = m Productos Esta ley reafirma que en la naturaleza nada se crea ni destruye, sólo se transforma. Por lo tanto, en todo proceso químico no puede observarse una variación entre las masas respectivas, cualquier anomalía es indicio de que lo que estamos haciendo no se comporta como debe ser. Ejemplo El óxido de cobre (II) se forma a través de oxígeno y cobre metálico. Si la masa de óxido es 35 g y la del metal 5 g, estimar la masa de oxígeno. Aplicando la ley, tenemos: m cobre + m oxígeno = m óxido

m oxígeno = m óxido - m cobre m oxígeno = 35 g - 5 g m oxígeno = 30 g

CPECH

Preuniversitarios

+

74

1 volumen de N2 n moléculas N2

3 volúmenes de H2 3 n moléculas H2

2 volúmenes de NH3 2 n moléculas NH3

Capítulo 3

Estequiometría

1.2 Ley de proporciones definidas (ley de Proust) “En un compuesto dado, los elementos participantes se combinan siempre en la misma proporción, sin importar su origen y modo de obtención”. Por ejemplo, en el óxido de zinc (II), el cual está formado por zinc y oxígeno, el zinc está presente en un 80,3% y el oxígeno, en un 19,7%. Esto quiere decir que si sintetizamos este óxido básico, veremos que, desde el punto de vista de la masa, habrá siempre dicho porcentaje de cada elemento. Ejemplo El óxido de zinc (II) tiene un 80,3% de zinc y un 19,7% de oxígeno. Si la masa del óxido básico es 145 g, estimar la masa de zinc y oxígeno presentes.

M zinc = % de zinc x masa óxido



M zinc = (80,3/100) x 145 g



M zinc = 116,435 g



M oxígeno = % de oxígeno x masa óxido



M oxígeno = (19,7/100) x 145 g



M oxígeno = 28,565 g

Sabías que... Cualquier muestra de dióxido de carbono (CO2), por cualquier procedimiento que se haya preparado siempre contiene un 27,29 % de carbono y un 72,71 % de oxígeno.

Al sumar las masas correspondientes, obtendremos la masa del óxido. 116,435 g + 28,565 g = 145 g Con esto se manifiesta, una vez más, que la ley de la conservación de la masa también se hace presente.

1.3 Ley de las proporciones múltiples (ley de Dalton) “Si dos elementos forman más de un compuesto, estableciéndose fija la composición de uno de ellos, el otro elemento estará en razón de números naturales (enteros y sencillos)”. Esta ley puede ejemplificarse a través de los anhídridos del nitrógeno.

Preuniversitarios

Ejemplo: si fijamos una masa de oxígeno en 7 g, las masas de nitrógeno en cada compuesto serán, respectivamente

CPECH

Los anhídridos son: N2O NO N2O3 NO2 N2O5

75

capítulo

3

Compuesto

mN/(g)

mO/(g)

N2O

4

7

NO

8

7

N2O3

12

7

NO2

16

7

N2O5

20

7

Podemos observar que las masas de nitrógeno y oxígeno presentan una cierta razón entre sí: 4 : 8 : 12 : 16 : 20 = 7 : 7 : 7 : 7 : 7 Como las masas de nitrógeno son múltiplos de 4, se hace la simplificación correspondiente: 1:2:3:4:5 De esta manera queda demostrada la aplicación de esta ley.

1.4 Ley de las proporciones recíprocas (ley de Richter) “Si dos o más compuestos se combinan con una masa fija de un elemento del compuesto, lo harán en una razón de números enteros y sencillos”.

Ejemplo Si en el CCl4 y en el CO2 se mantiene fija la masa de carbono, estimar la razón entre el cloro y el oxígeno. La razón entre los elementos es 1 : 4 (C y CI) y 1 : 2 (C y O), pero la razón entre los elementos mencionados es del tipo 4 : 2 ó 2 : 1, por lo tanto, se cumple la ley.

2. Términos de estequiometría A continuación, presentaremos algunos términos muy usados para explicar la relación entre reactantes y productos.

2.1 Unidad de masa atómica (uma)

CPECH

Preuniversitarios

Es la unidad que se usa para expresar cuál es la masa de un átomo, y equivale a

76

1 uma = 1,66 x 10-24 g Veamos su aplicación en los siguientes ejemplos.

Capítulo 3

Estequiometría

Ejemplo 1. Calcular la masa del átomo de Al en gramos, sabiendo que presenta 26,98 uma. 1 uma ↔ 1,66 x 10–24 g 26,98 uma ↔ Xg x=26,98 · 1,66 x 10–24 g Ejemplo 2. Establecer la unidad de masa atómica, si la masa del átomo de Na es 3,81 x 10-23 g. 1 uma

1,66 x 10–24 g

x

3,81 x 10–23 g

x=

3,81 x 10 ( 1,66 ) uma x 10 –23 –24

2.2 Mol (n) Es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales (átomo, moléculas o iones) como átomos hay en 0.012 kg de carbono 12 o en 12 g del mismo átomo.

2.3 Constante de Avogadro Es la constante que establece una relación entre el número de entidades y la cantidad de sustancia. Su valor es: 6.02 x 1023 entidades · mol-1 Hipótesis de Avogadro



Todos los gases tienen un mismo volumen en igual condición de presión y temperatura, conteniendo el mismo número de moléculas. Un mol de cualquier gas en C.N.P.T. son 22,4 litros. Vmolar = 22,4 L/mol

Así:

En general, podemos decir que el concepto de Mol y la constante de Avogadro están estrechamente relacionados. Así, un mol de entidades (átomos, moléculas o iones) equivale a decir que hay 6,02 x 1023 de estas entidades. Cuando decimos una docena sabemos que son doce unidades, si tenemos una resma de papel implica poseer 500 hojas, etc.

23

Preuniversitarios

1 mol = 6,02 x 10 átomos 1 mol = 6,02 x 1023 moléculas 1 mol = 6,02 x 1023 iones

Por convención, se entiende que las condiciones normales de presión y temperatura (C.N.P.T) corresponden a 273 K (0° C) y 1 atmósfera de presión (760 mm de Hg).

CPECH

Entonces,

77

capítulo

3

Ejemplo Calcular el número de átomos que hay en 2,3 moles de Zn. Como nos están preguntando por número de átomos, debemos usar la expresión de la constante, entonces, 1 mol ↔ 6,02 x 1023 átomos de Zn 2,3 mol ↔ x átomos de Zn x =1,38 x 1024 átomos Zn



Es decir, en 2,3 mol de Zn hay 1,38 x 1024 átomos de Zn.

2.4 Masa molar (MM) Es la relación que se establece entre la masa de la entidad y la cantidad de moles. Se expresa: MM =

m n

Podemos conocer la masa molar de un átomo, molécula o ión y para ello sólo requerimos saber los datos de la masa atómica y la cantidad de átomos. Ejemplo Calcular la masa molar del Cu(OH)2, sabiendo que las masas atómicas (M.at) de cada elemento son, respectivamente: Ma. t Cu = 64 g/mol Ma. t O = 16 g/mol Ma. t H = 1 g/mol La masa molar del hidróxido de cobre (II) será la suma de las masas atómicas de los elementos que lo constituyen, considerando el número de átomos de cada elemento. MM Cu(OH)2 = M.at Cu + 2 M.at O + 2 M.at H

M. at Cu = 64 g/mol · 1 = 64 g/mol M. at O = 16 g/mol · 2 = 32 g/mol M. at H = 1 g/mol · 2 = 2 g/ mol + MM Cu(OH)2 = 98 g/mol

Lo que significa que un mol de hidróxido de cobre (II) tiene una masa de 98 g.

CPECH

Preuniversitarios

Del término masa molar podemos dar origen a otras dos expresiones:

78

1. n =

m MM

2. m = n · MM En la primera, podemos calcular el número de moles (n) conociendo la masa y la masa molar de la sustancia. En la segunda podemos calcular la masa conociendo los moles (n) y la masa molar (MM).

Capítulo 3

Estequiometría

2.5 Relación entre masa molar y la constante de Avogadro En este punto veremos las relaciones que se pueden establecer entre la masa molar y la constante de avogadro. De este modo, tenemos: 1 mol = 6,02 x 1023 átomos = masa molar (MM) o masa atómica (M. at)

Ejemplo ¿Cuántos átomos de Aluminio hay en 10 g del metal, sabiendo que la masa atómica del Aluminio es de 27 g/mol? Solución Como se necesita determinar el número de átomos de aluminio en una cantidad conocida del metal, es preciso utilizar la relación anterior. i.

ii.

X átomos Al ↔ 10 g Al 6,02 x 1023 átomos Al ↔ 27 g Al 6,02 x 1023 átomos Al · 10 g Al 27 g Al

X = 2,22 x 1023 átomos Al

3. Ecuaciones químicas Una vez que se determina la naturaleza de los reactantes y los productos, es posible describir una reacción mediante una ecuación que indique la naturaleza y cantidades de las sustancias que participan en ella. Para ilustrar los principios que intervienen, se considerará la reacción que se efectúa en el motor de un cohete que emplea hidracina como combustible y tetraóxido de dinitrógeno como oxidante. Se ha establecido experimentalmente que las fórmulas moleculares para estas dos sustancias, ambas líquidas, son N2H4 y N2O4, respectivamente. El análisis de la mezcla que sale del escape del cohete muestra que se compone de nitrógeno gaseoso elemental, N2, y agua líquida. Para describir una ecuación balanceada de esta reacción, se procede así: a. Primero se escribe una ecuación no balanceada, en la que aparezcan las fórmulas de los reactantes a la izquierda y las de los productos a la derecha. N2H4 + N2O4 → N2 + H2O b. Se balancea la ecuación tomando en cuenta la ley de conservación de masa, que requiere que haya el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación.

CPECH

2N2H4 + N2O4 → 3N2 + 4H2O

Preuniversitarios

Nota (1): el número de moles o litros totales de los reactantes comparado con los de los productos, pudiera no resultar siempre igual, lo cual no indica que la reacción no esté balanceada.

79

capítulo

3

Nota (2) : XAy ; X : Coeficiente estequiométrico A: Compuesto y: Subíndice 2 N2 Coeficiente estequiométrico

subíndice

c. Para indicar los estados físicos de los reactantes y productos en la ecuación se emplearán las letras (g), (I) y (s) para representar gases, líquidos puros y sólidos respectivamente. 2N2H4(I) + N2O4(I) → 3N2(g) + 4H2O(I) Cuando se trata de reacciones que tienen lugar en disoluciones acuosas se emplearán los símbolos (ac o aq) para indicar una especie disuelta (ión o molécula). Ejemplo: Ag+(aq)+ CI-(aq) → Ag CI(s) Nota (3): Sobre el tipo y sentido de las flechas y símbolos que se ocupan para la descripción de una reacción química. Símbolo

Significado Precipitado Reacción reversible

•

Liberado como gas Calor

∅

Ebullición

d. Interpretación de ecuaciones estequiométricas. Los coeficientes de una ecuación estequiométrica indican el número de moles o moléculas de los reactantes y de los productos que participan en una reacción. Luego, la ecuación:

CPECH

Preuniversitarios

2N2H4(I) + N2O4(I) → 3N2(g) + 4H2O(I)

80

Indica que dos moles de N2H4 reaccionan con un mol de N2O4, obteniéndose tres moles de N2 y cuatro moles de H2O. Es importante tener en cuenta que una reacción estequiométrica continúa conservando su validez si cada uno de los coeficientes se multiplica por un mismo número. Ejemplo 4AI(s) + 3O2(g) → 2AI2O3(s) Indica que 4 moles de AI se combinan con 3 moles de O2 y se obtienen 2 moles de Al2O3. En resumen, los coeficientes de una ecuación estequiométrica dan directamente los números relativos de moles de reactantes y productos; también permiten calcular la cantidad de masa involucrada en el proceso.

Capítulo 3

Estequiometría

4. Relaciones estequiométricas A continuación, estableceremos el procedimiento para predecir la masa de un compuesto a partir de otro. Para esto, es importante considerar los coeficientes estequiométricos de la reacción. Sea la siguiente reacción: 2 Al + 6 HCl ↔ 2 AlCl3 + 3 H2 Calcular la masa de tricloruro de aluminio que se produce a partir de un gramo de aluminio. Datos Solución:

M. at Al = 27 g/mol MM AlCl3 = 133,5 g/mol

I.

X g AlCI3 ↔ 1 g Al 267 g AlCl3 (2 moles) ↔ 54 g Al (2 moles)

II.

x=



x = 4,94 g AlCl3

267 g AlCl3 · 1 g Al 54 g Al

En este caso, se presenta una relación entre reactantes y productos. Sin embargo, esta relación también puede establecerse entre los reactantes o entre los productos. Una observación importante apunta a que la relación no necesariamente debe establecerse entre las entidades que contienen a un elemento en común sinó también, puede hacerse entre los otros participantes. Es importante, además, que exista un equilibrio entre reactantes y productos en cuanto al número de átomos presentes. Debe procurarse el mismo número. Esto hará que los cálculos sean menos complejos. El equilibrio puede realizarse por simple deducción.

5. Composición porcentual La composición porcentual nos informará sobre el porcentaje del elemento presente en el compuesto. Para poder lograrlo se debe saber:

CPECH

- Fórmula del compuesto. - Masa atómica del elemento y - Masa molar del compuesto Ejemplo:

H2SO4

Preuniversitarios

Sea el compuesto formado por hidrógeno, azufre y oxígeno, cuya fórmula es:

81

capítulo

3

Si las masas atómicas respectivas son:

M. at H = 1 g/mol M. at S = 32 g/mol M. at O = 16 g/mol

Determine la composición porcentual de cada elemento. I. Primero se calcula la masa molar del compuesto.

Solución:

H = 2 · 1 g/mol S = 1 · 32 g/mol O = 4 · 16 g/mol MM H2SO4

= 2 g/mol = 32 g/mol = 64 g/mol + = 98 g/mol

II. Se divide cada valor anterior por el peso molecular del compuesto: H = 2 g/mol ÷ 98 g/mol = 0,0204 x 100 = 2,04% S= 32 g/mol ÷ 98 g/mol = 0,3265 x 100 = 32,65% O = 64 g/mol ÷ 98 g/mol = 0,6531 x 100 = 65,31%

6. Reactivo límite La mayoría de las reacciones químicas no ocurren en forma ideal. Por lo tanto, los reactantes no se consumen totalmente. En este caso se habla de reactivo límite. El reactivo límite se produce cuando un compuesto se consume completamente y el otro queda en exceso. Esta reacción no se verifica estequiométricamente y el reactivo límite es el que se consume primero. Ejemplo: Para la reacción: Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3 Determine el reactivo límite, sabiendo que se usó 1 kg de Al y 1 kg de óxido férrico.

CPECH

Preuniversitarios

a) Se debe establecer la razón estequiométrica entre el número de moles de los reactantes para tener este valor como referencia y determinar cuál está en exceso. La razón estequiométrica ideal es: nFe2O3 1 = nAl 2

82



Es decir, por cada mol de óxido se necesitan 2 moles de aluminio.

b) Se determina el número de moles utilizando los datos del problema.

n Fe2O3 = m Fe2O3 / MM Fe2O3 n Fe2O3 = 1000 g / 159,69 g/mol n Fe2O3 = 6,26 mol

Capítulo 3

Estequiometría



n Al = m Al / M. at Al n Al = 1000 g / 26,98 g/mol n Al = 37,06 mol

c) Se establece la razón estequiométrica con estos valores y se compara con la ideal: n Fe2O3

n Al

=

6,26 mol 37,06 mol

n Fe2O3 / n Al = 0.17 Se observa que esta razón es menor a la esperada, por lo tanto, el que está en exceso es el aluminio (porque se fijó al óxido como referencia). Luego, el reactivo límite es el óxido férrico. Con esta relación, se puede determinar la cantidad de moles de aluminio que quedan en exceso. Entonces,

n Al = n Fe2O3 / 0.5 n Al = 6.26 mol / 0.5 = 12.52 mol

Los moles de aluminio en exceso se calculan de la siguiente manera:

n Al exceso = n Al real – n Al teórico n Al exceso = 37,06 mol – 12,52 mol n Al exceso = 24,54 mol

Por último, se puede determinar la masa de hierro que se obtiene al hacer la reacción.

n Fe / n Al = r Fe ÷ r Al n Fe = r Fe · n Al ÷ r Al n Fe = (2 · 12,52 mol) /2 n Fe = 12,52 mol

Luego:

M Fe = n Fe · MM Fe M Fe = 12,52 mol · 55,85 g/mol M Fe = 699,24 g

Los motivos por los que la cantidad obtenida en una reacción es inferior a la esperada son varios: - Muchas reacciones son reversibles, luego, la transformación no es completa. - A veces, no es posible separar totalmente el producto obtenido. - Los productos formados pueden producir reacciones secundarias. - Muchas moléculas no están suficientemente activadas para reaccionar, etc.

Resumiendo los conceptos, tenemos que:

CPECH Preuniversitarios

- El reactivo límite es el óxido férrico. Él será quien se consuma primero. - El reactivo en exceso es el aluminio. Es decir, luego de ocurrida la reacción, aún quedará masa de este metal. - Una vez establecido el compuesto que está en exceso, se puede calcular el producto pedido, mediante la razón establecida.

83

capítulo

3

7. Leyes fundamentales de los gases En este punto trataremos aquellos hechos que tienen relación con el comportamiento de los gases. Un gas es un estado de la materia que se caracteriza por su gran desorden (en comparación con los líquidos o los sólidos). Las moléculas que conforman el gas, se desplazan en el recipiente que las contiene en trayectoria recta y a una velocidad elevada, produciéndose choques entre éstas. En estos choques no se pierde energía. Los factores que influyen en gran medida en el comportamiento de un gas son los siguientes temperatura, presión y volumen

7.1 Variables de los gases 7.1.1 Temperatura

100ºC

373º

212º

350º

200º

50ºC

100º

273ºK

a. Escala de Kelvin Su rango de temperatura es: 0 K, ………...., -273,15 ºC 100 K, …………, -173.15 °C

300º

0ºC

La temperatura es una forma de expresar el comportamiento de los estados de la materia en términos de grado. La escala Kelvin se considera como la escala universal de temperatura y se establece su valor en cero, que indica cese total del movimiento molecular. Sin embargo, el cero absoluto no se puede lograr. Las escalas se fijan de acuerdo al comportamiento del agua.

32ºF

b. Escala Celsius Celcius

Kelvin

Fahrenheit

Su rango de temperatura es:

CPECH

Preuniversitarios

0 ° C, ……... ..., 273,15 K 100 ºC, ………...., 373,15 K

84

c. Escala Fahrenheit Su rango de temperatura es: 0 F, …………., -17,77 °C 100 F, ... ... ... ...., 37,77 ºC

Capítulo 3

Estequiometría

• Relación entre escala Celsius y Fahrenheit Para expresar los grados Celsius en Fahrenheit, se usa la siguiente expresión: F = ºC x

9 5

+ 32

F = 25 x

9 5

+ 32

Ejemplo: expresar 25 °C en grados F.

F = 45 + 32 F = 77 Para transformar grados Fahrenheit a grados Celsius, se usa: °C = (F – 32) x Ejemplo: expresar 56 F en grados Celsius.

5 9



°C = (56 – 32) x



°C = 24 x



ºC = 13,33

5 9

5 9

• Relación entre escala Celsius y Kelvin Para transformar grados Celsius a grados Kelvin se usa: K = °C + 273,15 Ejemplo: expresar 25 °C en grados Kelvin

K = 25 °C + 273,15 K = 298,15

Para transformar grados Kelvin a grados Celsius se usa:

°C = K – 273,15

Ejemplo: 100 K en grados Celsius

°C = 100 K – 273,15 °C = – 173,15

7.1.2 Presión



1 atmósfera = 10 M columna de agua 1 atmósfera = 760 mmHg 1 atmósfera = 101320 Pa 1 mmHg = 1 Torr

Preuniversitarios

Las unidades que se usan para expresar presión son las siguientes:

CPECH

La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de área. La fuerza es la masa por la aceleración.

85

capítulo

3

Ejemplo: expresar 10 atmósferas en mmHg y en Pascal. 10 atm ·

10 atm ·

760 mmHg = 7600 mmHg 1 atm 101320 Pa = 1013200 mmHg 1 atm

7.1.3 Volumen El volumen es el espacio que ocupa un cuerpo en el universo. Las unidades de volumen son las siguientes: 1000 cm3 = 1 litro 1 m3 = 1000000 cm3



Estas equivalencias nos permiten ir de una unidad a otra para expresar volumen. Ejemplo Expresar en metros cúbicos, un volumen de 535 cm3. 1 m3 = 5.35 x 10-4 m3 1000000 cm3

535 cm3 ·

A continuación, veremos cómo se relacionan estas tres variables que describen el comportamiento gaseoso, expresadas a través de leyes. En este caso se hablará de un estado inicial y un estado final de un determinado sistema, el que permite describir al gas en ambas situaciones.

7.2 Ley de los gases 7.2.1 Ley de Avogadro “El volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad de sustancia (número de moles), a temperatura y presión estándar o condiciones normales de presión y temperatura (presión: 1 atm y temperatura 0°C)”. v1 v2 n1 = n2 Usando una constante de proporcionalidad, logramos igualar volumen y cantidad de sustancia.

CPECH

Preuniversitarios

V=k · n

86

Gráficamente, se expresa:

V

n

7.2.2 Ley de Boyle y Mariotte “El volumen de cierta masa de gas es inversamente proporcional a la presión, a una temperatura constante”. V •P=k

Capítulo 3

Estequiometría

Luego, P1 · V1 = P2 · V2 Gráficamente se expresa:

P

V

7.2.3 Ley de Charles “El volumen de cierta masa de gas es directamente proporcional a la temperatura, a presión constante”

V =K T

Por lo tanto,

V=K·T V1



T1 Gráficamente se expresa

=

V2 T2

V

T

En esta ley, la temperatura debe expresarse en grados Kelvin.

7.2.4 Ley de Gay - Lussâc “La presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura a volumen constante” P =k T

P1 T1

=

Gráficamente se expresa:

P2 T2

CPECH

Por lo tanto,

P=k•T

T

Preuniversitarios

P

87

capítulo

3

7.2.5 Ley combinada de los gases Esta ley relaciona volumen, temperatura y presión, dando origen a una constante. En este caso no varía la masa del gas. Su expresión es: P xV T

=k

Por lo tanto, P1 x V1 T1

=

P2 x V2 T2

Experimentalmente, se comprobó que esta expresión dio origen a la ecuación de estado para un gas ideal.

7.2.6 Ecuación de gases ideales P·V=n· R·T En donde:

P = presión V = volumen n = número de moles de sustancia R = constante de los gases T = temperatura

La constante R de los gases tiene los siguientes valores:

R = 0,082 atm l / mol K R = 8,314 J / mol K R = 1,987 cal / mol K

El valor de R debe ocuparse de acuerdo al sistema de unidades que se está trabajando. Se puede observar que en todas las expresiones aparece el grado Kelvin. Es debido a este hecho, que en la Ley de Charles debe usarse la escala Kelvin de temperatura. Un gas ideal será aquel que se comporta bajo ciertas condiciones denominadas “ideales”. Un gas real, entonces, será aquel que no se comporta idealmente.

CPECH

Preuniversitarios

Ejemplos 1. Dada la siguiente ecuación:

88



Cu + 2H2SO4 ↔ CuSO4 + SO2 + 2H2O (MM CuSO4= 159 g/mol; M. at Cu= 63 g/mol)

a. ¿Cuántos gramos de sulfato de cobre (CuSO4) se formarán por cada mol de cobre (Cu) que reacciona? Solución: i. X g CuSO4 ↔ 1 mol Cu 159 g CuSO4 ↔ 1 mol Cu ii. X =

159 g CuSO4 · 1 mol Cu 1 mol Cu

Capítulo 3



Estequiometría

X = 159 g CuSO4

b. ¿Cuántos gramos de cobre se requerirán para producir 100 g de sulfato de cobre (CuSO4)? Solución i. X g Cu ↔ 100 g CuSO4 63 g Cu ↔ 159 g CuSO4

ii. X =

63 g Cu · 100 g Cu SO4 159 g CuSO4

X= 39,62 g Cu

2. El agua con el cloro reaccionan de acuerdo a la siguiente reacción química: 2 H2O (l) + 2 Cl2 (l) ↔ 4 HCl (l) + 2 O2 (g) a. De acuerdo a lo anterior, ¿cuántos litros de O2 se producirán a partir de 45 g de agua? (MM H2O= 18 g/mol) Solución Nota: 1 Mol de gas en C.N.P.T= 22,4 L i. X L O2 ↔ 45 g H2O

44,8 L O2 ↔ 36 g H2O (2 moles · 18 g/mol)



ii. X =

44,8 L O2 · 45 g H2O 36 g H2O

X = 56 L O2

CPECH Preuniversitarios

89

Nº Avogadro 6,02 x 1023

moles

temperatura

volumen

Composición %

Fórmula empírica

Fórmula molecular

Relación estequiométrica

Boyle - Mariotte

Reactivo límite

Preuniversitarios

Síntesis de contenidos

Atómos

Mol

Molécula

capítulo

Masa molar

Volumen molar C.N.P.T. 22,4 litros gas ideal

Ley combinada

Charles

90

presión

Gay - Lussac

CPECH

3

Capítulo 3

Estequiometría

Actividades 1. Calcule la masa molar del Zn (ClO4)2 Mat Zn=65 g/mol Mat CI=35 g/mol Mat O = 16 g/mol Así MM Zn (CIO4)2 = 2. Calcule la masa molar del siguiente compuesto: Zn3(C6H5O7)2 Mat Zn = 65 g/mol Mat C = 12 g/mol Mat H = 1 g/mol Mat O = 16 g/mol Así MM Zn3 (C6H5O7)2 = 3. Calcule la masa molar de los siguientes compuestos: a. Zn(AsO2)2 Mat Zn = 65 g/mol Mat AS = 74 g/mol Mat O = 16 g/mol MM Zn (AsO2)2 = b. Cr2(SO4)3 Mat Cr = 51 g/mol Mat S = 32 g/mol Mat O = 16 g/mol MM Cr2 (SO4)3 =

4. El pigmento que le da el color verde a las plantas, y que es el responsable de la fotosíntesis y del O2 que respiramos, se llama clorofila y tiene la siguiente estructura: C55H72MgN4O5 Calcule la masa molar de la clorofila:

Preuniversitarios

Mat C = 12 g/mol Mat H = 1 g/mol Mat Mg = 24 g/mol Mat N = 14 g/mol Mat O = 16 g/mol Así MM C55H72Mg N4 O5 =

CPECH



91

capítulo

3

5. Conociendo las siguientes masas atómicas

Ca P Cu Fe H O S Cl C Na Zn N I K

= 40 g/mol = 31 g/mol = 63 g/mol = 55,8 g/mol = 1 g/mol = 16 g/mol = 32 g/mol = 35 g/mol = 12 g/mol = 23 g/mol = 65 g/mol = 14 g/mol = 127 g/mol = 39 g/mol



Calcular la masa de 1mol de los siguientes compuestos:

H2O

:

NO2 : Fe2O3 : H2CO3 : Fe(OH)3 : Na2S2O3 : ZnCI2 : NaOH

:

NH3 : CH3COOH : 6. ¿Cuántos átomos de N hay en tres moléculas de nitrato de calcio (Ca(NO3)2)? 7. ¿Cuántos gramos de S hay en 200 g de CaSO4? 8. ¿Cuántos gramos de H hay en 50 g de NaHCO3? 9. ¿Qué porcentaje de Fe hay en Fe2O3? 10. ¿Qué porcentaje de K hay en el KClO4? 11. Para la reacción:

CPECH

Preuniversitarios

2NaCI + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCI

92

a. ¿Qué masa de H2SO4 se necesita para obtener 252 g de Na2SO4?

b. ¿Cuántos moles de HCI se formarán a partir de 294 g de H2SO4?

c. Para que reaccionen totalmente 100 g de H2SO4, ¿qué cantidad en gramos de NaCI es necesaria?

Capítulo 3

Estequiometría

Ejercicios Ejercicios resueltos 1. Según la ecuación: N2 + 2O2 → 2NO2

Cuando reaccionan 5 moles de O2

A) se producen 5 moles de NO2 B) se producen 10 moles de NO2 C) reaccionan 5 moles de N2 D) reaccionan 10 moles de N2 E) se producen 2,5 moles de NO2 Alternativa: A. Habilidad: Análisis. Defensa: En la reacción 1 mol de nitrógeno reacciona con 2 moles de oxígeno para originar 2 moles de dióxido de nitrógeno. Cuando reaccionan 5 moles de O2 se generaran 5 moles de NO2, puesto que la relación estequiométrica entre ellos es 1:1. Por otra parte, 5 moles de O2 reaccionaran con 2,5 moles de N2 pues la razón estequiométrica de ellos es 1:2.

3. ¿Cuál de los siguientes gráficos representa mejor el proceso de la reacción en que A es Na2 CO3, B es HCl y C es CO2? Na2 CO3 + 2HCl 2NaCl + CO2 + H2O

m

A)

B

C 0



m

A

B

C

0

tiempo m

C) C B

A

0

tiempo

m

CPECH

D) C

B 0

A tiempo

Preuniversitarios

Alternativa: C. Habilidad: Aplicación. Defensa: En función de los datos, para calcular la presión del gas se debe ocupar la ecuación del gas ideal: P x V = n x R x T, donde la temperatura debe estar en grados Kelvin y R es la constante de los gases. P x 4 = 1 x 0,082 x 293 P = 24 / 4 P = 6 atm

tiempo

B)

2. La presión de un mol de gas que se encuentra en un recinto cuyo volumen es 4 litros, a una temperatura de 20°C, es: A) 3 atm B) 4 atm C) 6 atm D) 8 atm E) 10 atm

A

93

capítulo

3

Ejercicios

m

E)

A

B

0

C

Cu + S tiempo

Alternativa: D. Habilidad: Análisis. Defensa: En la reacción A y B corresponden a los reactantes (Na2CO3 y HCl respectivamente), en tanto C, es un producto. El grafico que representa la ecuación es el D, pues a medida que los reactantes desaparecen (A y B), aparece el producto (C), a medida que transcurre el tiempo.

CPECH

Preuniversitarios

4. El gas amoníaco, cuya fórmula es NH3, tiene una masa molar igual a 17 g/mol. ¿Cuál o cuáles de las siguientes cantidades puede(n) considerarse equivalente(s) a un mol de amoníaco?

94

5. ¿Cuántos gramos de CuS (MM 95,5 g/mol) se formarán a partir de 10 g de cobre (MAT 63,5 g/ mol)?



I) II) III)

17 g de NH3. 22,4 litros (condiciones normales) del gas. 6,02 x 1023 moléculas de amoníaco.



A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y III I, II y III

Alternativa: E. Habilidad: Comprensión. Defensa: El mol está relacionado con el número de Avogadro, con el volumen (cuando la entidad es gas en C.N.P.T.) y con la masa de un átomo, ión o compuesto, haciendo posible relacionarlas entre si. Si la masa molar del amoniaco es 17 g/mol, esto significa que: un mol de amoniaco = 17 gramos, un mol de amoniaco = 6,02 x 1023 moléculas y un mol de amoniaco gaseoso C.N.P.T = 22,4 litros.

10 A) 95,9 B)

10 · 63,5 95,5

C) 95,5 · 10 63,5 · 95,5 D) 10 E)

10 · 95,5 63,5

CuS

Capítulo 3

Estequiometría

Ejercicios

Ejercicios propuestos 1. Un mol de agua (H2O) implica (MM H2O = 18 g/ mol):

4. ¿Cuántos moles de cobre (M.AT Cu = 63,5 g/mol) están contenidos en 95,4 g de este metal?

I) 18 g de agua. II) 3 átomos (2 de H y 1 de O). III) 6,02 x 1023 moléculas de agua.

A) 1,50 mol B) 6,35 mol C) 9,54 mol D) 63,50 mol E) 95,40 mol

A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo II y III I, II y III

Respuestas correctas

CPECH Preuniversitarios

Aplicación Aplicación

E

2

Comprensión

D

1

Alternativa

Número

Habilidad

A) 0,768 litros B) 7,680 litros C) 8,768 litros D) 76,800 litros E) 95,40 litros



3

2KClO3 (s) → 2KCl (s) + 3O2 (g)

I) la misma masa. II) el mismo número de moles. III) el mismo número de átomos.

Aplicación





A

3. ¿Cuántos litros de O2 se obtienen, en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm; O °C), al descomponer térmicamente 2,8 g de KClO3 (M.AT K = 39 g/mol M.AT Cl = 35,5 g/mol, M.AT O. = 16 g/mol) en la reacción?

Como conclusión de lo anterior, se podría afirmar que en los 22,4 L. de cada uno de los gases se tiene

A

A) 22,4 l ; 102 g ; 3 moléculas. B) 44,8 l ; 102 g ; 3 moléculas. C) 67,2 l ; 34 g ; 3 · 6,02 x 1023 moléculas. D) 67,2 l ; 96 g ; 6,02 x 1023 moléculas. E) 67,2 l ;102 g ; 3 · 6,02 x1023 moléculas.



4

2. Tres moles de H2S (g) en C.N.P.T. equivalen a: (MM H2S = 34 g/mol)

5. Usted dispone de CO2 (g) y O2 (g) en condiciones normales de presión y temperatura, y ambos ocupan el mismo volumen: 22,4 L.

Comprensión

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y III I, II y III

B

A) B) C) D) E)

5



95

96

CPECH

Preuniversitarios

Capítulo 4

DISOLUCIONES Aprendizajes Esperados

Reconocer soluto de disolvente. Identificar expresiones disoluciones.

usadas

en

Comprender el significado de la solubilidad.

Las disoluciones donde el disolvente es agua, reciben el nombre de disoluciones acuosas. Por esta razón, el agua recibe el nombre de disolvente universal, independientemente de su cantidad en la disolución.

capítulo

4

Disoluciones

1. Disoluciones Un aspecto muy importante para el análisis químico, está relacionado con el concepto de disolución. En general, una disolución nos indica la relación entre dos componentes: el soluto y el disolvente. El soluto será aquel que esté en menor proporción. El disolvente será el que esté en mayor proporción y es el que disuelve al soluto.

1.1. Características de las disoluciones - - -

Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. No debe existir reacción entre el soluto y el disolvente, es decir, no se deben crear nuevos compuestos. El soluto y el disolvente deben co-existir en una misma fase. Por fase entenderemos el estado de la materia en que se encuentran ambos componentes. Luego, se distinguen tres fases: sólida, líquida o gaseosa. - El soluto y el disolvente no deben separarse por procesos físicos, como por ejemplo, decantación o centrifugación.

1.1.1 Clasificación de las disoluciones según la polaridad del disolvente • Disoluciones iónicas: Son aquellas en que el soluto es un electrolito y el disolvente es polar, constituyendo una mezcla conductora de electricidad por la formación de iones en el seno de la disolución. Ejemplo:

sal + agua (NaCl + H2O → H2O  + Na+ + Cl–)

• Disoluciones moleculares: Se forman entre aquellas sustancias no electrolitos y solventes apolares, las moléculas del soluto no se disocian y están rodeadas por el disolvente. • Disoluciones acuosas: Son disoluciones donde el disolvente es agua.

1.1.2 Clasificación de las disoluciones según el número de componentes

CPECH

Preuniversitarios

• Binarias (dos componentes) • Ternarias (tres componentes)

98

1.1.3 Clasificación de las disoluciones según la fase en la que se encuentra el disolvente •

Estado gaseoso: Gas – Gas : Atmósfera Líquido – Gas : Aire húmedo Sólido – Gas : Polvo en aire

La unión que se forma entre el soluto y el disolvente en una disolución líquida es la causa de que se experimente variación del volumen durante el proceso de disolución.

Disoluciones

Capítulo 4

•

Estado líquido: Gas – Líquido : CO2 en bebidas gaseosas Líquido – Líquido : Alcohol en agua Sólido – Líquido : Azúcar en agua

•

Estado sólido: Gas – Sólido : Hidrógeno en platino Líquido – Sólido : Mercurio en cobre Sólido – Sólido : Aleación de oro–plata, bronce

Disolución

Disolvente

Soluto

Ejemplo

Composición

Gaseosa

Gas

Gas

Aire

Gases disueltos en nitrógeno

Líquida

Líquido

Gas

Bebida gaseosa

CO2 en disolución acuosa

Líquida

Líquido

Líquido

Vinagre

Ácido acético en agua

Líquida

Líquido

Sólido

Océanos

Sales en agua

Sólida

Sólido

Líquido

Amalgama

Mercurio en plata

Sólida

Sólido

Sólido

Bronce

Estaño en Cobre

Otras mezclas, que poseen características diferentes a las disoluciones son las suspensiones y los coloides.

1.2. Suspensiones Son mezclas que poseen partículas mayores que 10-3 mm de diámetro, por ello son visibles al microscopio. Dichas partículas son atraídas por la fuerza de gravedad sedimentando y, por consiguiente, tienden a separarse del disolvente. Mientras mayores sean las partículas, mayor será la velocidad de sedimentación. Ejemplo: la sangre (elementos figurados en el plasma), la mezcla entre arena y agua, algunos medicamentos (jarabes), refrescos elaborados con frutas naturales y algunas pinturas vinílicas. Analizando la estabilidad entre los componentes que forman la mezcla, es decir, el tiempo que tienden a estar unidos, se tiene que: Disolución

>

Suspensión

1.3. Coloides Sistema compuesto por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas, de tamaño ínfimo. Luego, se trata de partículas que no son apreciables a simple vista, sin embargo, son mucho más grandes que cualquier molécula.

Preuniversitarios

Algunos ejemplos de coloides son: espuma, aerosol líquido, emulsión.

CPECH

En general, un coloide por excelencia es aquel en el que la fase continua es un líquido y la fase dispersa son partículas sólidas. Sin embargo, pueden encontrarse coloides cuyos componentes se presentan en otros estados de agregación.

99

capítulo

4

2. Expresiones en disoluciones 2.1 Porcentaje masa masa (% m/m) Es la masa de soluto que está contenida en 100 g de disolución. % m/m = g soluto → 100 g de disolución Es posible expresar el % m/m mediante una fórmula: % m/m =

Masa de soluto · 100 Masa de soluto + Masa disolvente

Ejemplo 1 Se disuelven 12 g de cloruro de sodio (NaCl) en 200 g de agua. Calcule el % m/m del NaCl. Respuesta:

Proceso físico es aquél en el que no cambia la estructura interna de las sustancias. Por ejemplo: la filtración, la fusión y la evaporación. Proceso químico es aquél en el que cambia la estructura interna de las sustancias. Por ejemplo: la combustión.

Soluto: 12 g Na Cl Disolvente: 200 g H2O % m/m =

1200 12 · 100 = % m/m = 5,66 212 12 + 200

Ejemplo 2 Se tiene una disolución de AlCl3 al 30% m/m. Determine los gramos de soluto y de disolvente presentes en la disolución. Respuesta: Si una disolución se encuentra al 30% m/m, significa que presenta 30 gramos de soluto en 100 gramos de disolución. Por lo tanto, Disolución = Soluto + Disolvente 100 g 30 g 70 g

2.2 Porcentaje masa volumen (% m/v)

CPECH

Preuniversitarios

Es la masa de soluto que se encuentra en 100 mL de disolución

100



% m/v = g soluto → 100 mL disolución



% m/v =

Masa soluto · 100 Volumen disolución

Capítulo 4

Disoluciones

Ejemplo 1 Se disuelven 13 g de cloruro de aluminio en 215 mL de disolución. Calcular el porcentaje peso volumen de la sal. Respuesta: % m/v =

13 · 100 215

% m/v = 6,04

Ejemplo 2 Determinar el % m/v de una disolución que presenta 65 g de CuSO4 (sulfato cúprico) disueltos en 170 mL de disolución. Respuesta:

% m/v =

65 · 100 170

% m/v = 38,23

2.3 Porcentaje volumen volumen (% v/v) Es el volumen de soluto que se encuentra en 100 mL de disolución. Recordemos que los volúmenes no son aditivos, es decir, no deben ser sumados (sólo podemos hacerlo cuando las densidades sean iguales). % v/v = mL soluto → 100 mL disolución Ejemplo 1

% v/v =

Volumen soluto · 100 Volumen disolución

Se disuelven 40 mL de alcohol en agua, resultando 200 mL de disolución. Calcular el porcentaje volumen volumen de la disolución hidroalcohólica. Respuesta:

% v/v =



% v/v = 20

40 · 100 200

2.4 Molaridad (M)

M=

gramos soluto MM soluto · volumen disolución (L)

Se disuelven 40 g de NaOH en agua hasta completar 400 mL de disolución. La MM del NaOH es de 40 g/mol. Calcular la molaridad del hidróxido de sodio.

Preuniversitarios

Ejemplo 1

CPECH

Es la cantidad de moles de soluto que se encuentran en un litro de disolución. Se expresa en mol/L

101

capítulo

4

Resolución Aplicando la relación anterior: 40 40 · 0,4



M=



M = 2,5 Molar

Otra manera de obtener el resultado, es la siguiente: a) se calculan los gramos de soluto disueltos en 1000 mL de disolución. X g soluto → 1000 mL disolución 40 g soluto → 400 mL disolución X=

40 · 1000 400

x = 100 g soluto b) Se calcula la molaridad.

M=



M = 2,5 molar

100 40

Ejemplo 2 ¿Cuántos gramos de cloruro de sodio están disueltos en 200 mL de disolución cuya molaridad es 0.5 M? MM NaCl = 58 g/mol. Respuesta:

M=

g soluto , M. molar x Volumen (L)



0,5 =

X g soluto , 58 x 0,2



X = 5,8 gramos de NaCl disueltos en 200 mL

CPECH

Preuniversitarios

Ejemplo 3

102

Calcular la molaridad del bicarbonato de sodio, si 40 g de la sal están disueltas en un volumen de 245 mL. La MM de NaHCO3 es 84 g/mol.

Respuesta:

40 grs , M= MM • volumen (L) 84 • 0,245 40 M= 20,58

M=

M = 1,94 molar

Capítulo 4

Disoluciones

2.5 Molalidad (m) Es la cantidad de moles de soluto que están disueltos en 1000 g (1 kg) de disolvente. Se expresa en mol/kg.

m=

gramos soluto MM soluto · kg disolvente

Ejemplo Se disuelven 20 g de K2SO4 en 200 g de agua. Calcular su molalidad (m). La masa molar del sulfato de potasio es de 174 g/mol.

Respuesta: 20 m= 174 · 0,2 m = 0,574 molal

Otra forma de obtener el resultado es: a) Calcular los gramos de soluto disueltos en 1000 g de disolvente.

X g soluto → 1000 g disolvente 20 g soluto → 200 g disolvente

X =

20 · 1000 200

x = 100 g soluto

b) Cálculo de molalidad m =

100 174

m = 0,574 molal

Lo que implica que la disolución es 0,574 molal.

CPECH Preuniversitarios

103

capítulo

4

2.6 Partes por millón (ppm) Se define como los miligramos de soluto disueltos en 1000 g ó 1 kilogramo de disolución.

X mg soluto → 1000 g disolución Nota: 1 g = 1000 mg

Ejemplo

Calcular la concentración, en ppm, de una disolución que contiene 0,85 g de KNO3 disueltos en 670 g de solución. Respuesta:

a)

1 g → 1000 mg 0,85 g → X mg X= 850 mg



b)

X mg KNO3 → 1000 g disolución 850 mg KNO3 → 670 g disolución

X =

850 mg KNO3 · 1000 g disolución 670 g disolución

X = 1268,65 ppm



2.7 Fracción molar (Xn) Es la cantidad de moles de soluto y de disolvente, respectivamente, que hay presente en una cierta cantidad de moles de disolución. Xsoluto =

(n) moles soluto (n) moles disolución

Xdisolvente =

(n) moles disolvente (n) moles disolución

En general, se cumple que: Xn = X soluto + X disolvente =1

CPECH

Preuniversitarios

Ejemplo

104

Se disuelven 30 g de KNO3 en 500 g de agua. Calcular la fracción molar del soluto y del disolvente. MM KNO3 = 101 g/mol y MM agua = 18 g/mol. Respuesta: =

g KNO3



Moles KNO3



Moles KNO3



n = 0.2970 moles KNO3

MM KNO3 30 = 101

Capítulo 4

Disoluciones

500 18 g H 2O



Moles (n) H2O

=



Moles (n) H2O

=



n = 27,77 moles H2O

MM H2O

Luego, las fracciones molares de la sal y el agua:

X (fracción molar) KNO3 =

0,297 0,297 + 27,77



X (fracción molar) H2O =

27,77 = 0,9894 0,297 + 27,77

= 0,0106

3. Relaciones entre las expresiones que informan sobre una disolución 3.1 Molaridad en función de porcentaje masa masa Se puede determinar la molaridad de una disolución, conociendo el porcentaje masa masa de ella, mediante la siguiente relación. M= Ejemplo

% m/m · densidad disolución (ρ) · 10 MM soluto

Establecer la molaridad de NaOH si la densidad de la disolución es 0.9 g/mL. El porcentaje masa masa de NaOH en la disolución es 20%. La masa molar del NaOH es 40 g/mol.



M NaOH =

% m/m NaOH · densidad disolución (ρ) · 10 MM soluto NaOH

20 · 0,9 · 10 M NaOH = 40

M NaOH = 4,5 M

3.2 Molalidad en función de porcentaje masa masa Molalidad (m) =

% m/m · 1000 MM soluto · (100 – % m/m)

CPECH



Preuniversitarios

105

capítulo

4

Ejemplo ¿Qué molalidad (m) tiene una disolución si su porcentaje masa masa es 20%, sabiendo que la masa molar del soluto es 24 g/mol? Ocupando la expresión anterior: 20 · 1000 24 · (100 – 20)



Molalidad =



Molalidad = 10,41 molal

3.3 Porcentaje masa volumen en función de porcentaje masa masa % m/v = % m/m · densidad (ρ)



Ejemplo Calcular el porcentaje masa volumen, si la densidad de la disolución es 0.9 g/mL y presenta un porcentaje masa masa de 20%. Empleando la expresión anterior:

% masa volumen = 20 · 0.9 g/mL = 18 g/mL



% masa volumen = 18 % m/v

4. Mezclas y diluciones 4.1 Mezclas La mezcla de disoluciones nos va a permitir observar los cambios que ocurren entre éstas. Supondremos que ambas disoluciones son distintas y que no dan origen a un compuesto nuevo. Presentemos algunas observaciones previas: - Recordemos que los volúmenes no son aditivos (no se pueden sumar, salvo que tengan igual densidad). - Podemos hacer adición sólo con masas y cantidad de sustancia. - La disolución final tendrá una mayor cantidad de sustancia y una mayor masa. - La densidad de la disolución final será distinta de las disoluciones progenitoras. Mezcla

CPECH

Preuniversitarios

Suspensiones

106

Coloides

Disoluciones

Tamaño de las partículas > 10-3 mm

10-3 mm - 10-6 mm

20

Las partículas de suelo se distribuyen en cuatro grandes capas, a distintos niveles de profundidad, estas capas se denominan horizontes y se designan con letras mayúsculas (A, B, C y R), al conjunto de capas del suelo se le llama perfil. - Horizonte A: Es la primera capa del suelo y en ella se acumula materia orgánica, formándose el humus, si esta capa presenta abundante materia orgánica se presentará de color negro y de consistencia húmeda. - Horizonte B: Es una capa fundamentalmente de origen mineral. - Horizonte C: Está formado por restos de rocas fragmentadas. - Horizonte R: Es la capa más profunda del suelo y está formada por la roca madre, que origina los demás horizontes.

b. Tipos de suelo Considerando los materiales que predominan en su composición, los suelos pueden ser rocosos, arenosos, arcillosos y orgánicos. - Rocosos: No tienen horizonte A y B, por lo que la roca aparece en la superficie. Son duros e impermeables, por lo cual aparecen secos. - Arenosos: Debido a que sus partículas están muy sueltas, son suelos porosos y permeables que dejan pasar el agua con facilidad, pero no retienen la humedad. - Arcillosos: Tienen una textura blanda, son más compactos que los arenosos, son menos permeables y retienen más la humedad.

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- Orgánicos: Poseen materia orgánica en abundancia, son permeables y esponjosos, por lo que retienen una cantidad de humedad que los hace especialmente fértiles.

138

4.3 Degradación de suelos La degradación erosiva de los suelos es en la actualidad uno de los procesos más relevantes dentro de las actividades humanas involucradas con la agricultura, silvicultura y minería. Si bien la erosión es un proceso natural mediado por agentes ambientales como el viento y la lluvia, esta se ha visto favorecida en los dos últimos siglos por la acción antrópica. En el proceso de erosión, se extraen y transportan las capas superficiales del suelo (horizontes A y B principalmente), ocasionando la pérdida del arraigo físico para los vegetales y plantas generando en el corto plazo el fenómeno de desertificación, que puede incluso llevar a la pérdida completa de ecosistemas.

Capítulo 5

Química ambiental

4.3.1 Erosión eólica Es la degradación efectuada por el viento sobre las partículas más finas y superficiales del suelo. Se ve favorecida por la ausencia de vegetación. La erosión eólica tiene dos efectos; la abrasión, que corresponde a la acción de desgaste ocasionado por las partículas extraídas sobre otros suelos y rocas. La deflación se produce cuando el viento levanta los fragmentos de suelo y los deposita en sectores lejanos a donde fueron extraídos.

4.3.2 Erosión marina Es el principal efecto erosivo y generador de dunas a nivel costero. Este tipo de degradación lo genera el mar sobre las rocas del litoral. La erosión que llevan a cabo las olas se debe en parte al choque del agua sobre las rocas y, también a la abrasión que ejercen los fragmentos que arrastra el agua y que proceden de la misma roca erosionada.

4.3.3 Erosión pluvial y fluvial La erosión pluvial es la que ejercen las gotas de las aguas lluvias cuando precipitan sobre el suelo. La masa y la velocidad de las gotas inciden en la magnitud de la erosión, facilitando el proceso la pendiente del sector donde ocurren la precipitaciones. La erosión fluvial es la que llevan a cabo los cursos de aguas continentales (ríos y torrentes). La energía cinética del agua determina la intensidad de la degradación y dependen de la energía potencial, así como, de la constitución del suelo sobre el cual fluyen los cursos de aguas.

4.3.4 Erosión glacial Este tipo de erosión se debe a la acción del hielo, constituyente de los glaciales, sobre las rocas de las superficies en la que se encuentran. La degradación es mucho mayor en el fondo de la masa de hielo que en los costados, lo que determina el conocido valle glaciar en “U”. Estructuras características que resultan de la erosión glaciar son los circos glaciares, los valles y los lagos de origen glaciar.

El impacto más inmediato es la destrucción de ecosistemas que afectan la flora y fauna primeramente, y luego al clima, el cual, se ve alterado a mediano plazo transformando la troposfera del planeta (efecto invernadero, lluvia ácida, etc.).

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Es la erosión más impactante y rápida en desarrollar, es llevada a cabo, por acciones culturales humanas, y que se basan, principalmente en la agricultura y la minería con fines netamente económicos.

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4.3.5 Erosión antrópica

139

capítulo

5

Está claro que la conciencia ecológica de la población se centra primeramente en la polución del aire y del agua y, en último caso en el suelo.

4.4 Conservación de suelos El suelo es una entidad organo-mineral de lento desarrollo (entre 150500 años), no obstante, las distintas actividades humanas facilitan su degradación en un periodo muy corto de tiempo (6 meses a 2 años). Es por esta razón, que se han desarrollado diversos manejos de suelo para permitir su conservación.

4.4.1 Cultivos en terrazas Son terraplenes formados por bordes de tierra que construidos en sentido perpendicular a la pendiente del terreno forman escalinatas de cultivo. Las terrazas fueron propias de la cultura Incaica.

4.4.2 Franjeado Consiste en sembrar franjas de cultivos alternados (ejemplo trigo y poroto), variando así la velocidad de infiltración del agua, con lo que se evita su pérdida por escurrimientos, disminuyéndose la erosión del suelo.

4.4.3 Cultivo en contorno Es el establecimiento de cultivos siguiendo las curvas de nivel principalmente en cerros y montes. Ayuda a evitar la formación de cárcavas en suelos con pendientes pronunciadas.

4.4.4 Rotación de cultivos Práctica cultural en la cual, el suelo permanece todo el año con una cubierta vegetal que evita la erosión. La rotación de cultivos implica efectuar una siembra inmediatamente después de otra.

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4.4.5 Agrosilvicultura

140

Similar al franjeado, consiste en alternar cultivos con franjas de árboles para reducir la erosión tanto hídrica como eólica, con lo que se estabiliza física y químicamente el suelo.

4.4.6 Reforestación Es la medida más empleada en silvicultura para reemplazar las especies extraídas con fines económicos. La limitante que presenta, es que las especies plantadas no corresponden a las taladas (principalmente nativas), con lo cual, se altera el ecosistema reforestado.

Animales

Vegetales

Compuestos orgánicos

Desechos

Lluvia ácida

Smog

COx

Contaminación suelos

Contaminación aguas

Efecto invernadero

NOx

SOx

Ciclo de los nutrientes

Combustibles Fósiles

Gases contaminantes

Biosfera

Compuestos inorgánicos

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Síntesis de contenidos

Capítulo 5

Química ambiental

141

capítulo

5

Actividades 1. Indique si es Verdadero o Falso. 1. ______ A mayor cantidad de fosfatos en el agua, mayor reproducción de microalgas. 2. ______ El agua dura puede ser consumida por el hombre sin mayores peligros para la salud. 3. ______ El mercurio es un metal pesado que puede contaminar el suelo. 4. ______ Los plásticos son degradados fácilmente por las bacterias. 5. ______ Si el hombre trata el agua con cloro, ésta presentará un medio ideal para el desarrollo de microorganismos. 6. ______ Si un tipo de aire contiene mayor cantidad de oxígeno que otro, se dice que este aire está contaminado. 7. ______ El monóxido de carbono tiene iguales efectos en el organismo que el anhídrido carbónico. 8. ______ Para calcular la acidez del aire se toman en cuenta las concentraciones de monóxido de carbono. 9. ______ La lluvia ácida es producida por altas concentraciones atmosféricas de ozono (O3)

2. Responda las siguientes preguntas 1. ¿Cuáles son los principales contaminantes del agua en la actualidad? _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________

CPECH

Preuniversitarios

2. ¿Cuándo se considera que el agua está contaminada? _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________

142

Capítulo 5

Química ambiental

3. Términos pareados Relacionar los conceptos de la columna A con aquellos ubicados en la columna B



Columna A

Columna B

1. Ozono

______

Efecto invernadero

2. SO2

______

Ciclo del nitrógeno

3. CO2

______

Daño a la capa de ozono

4. Micorrizas

______ O3

5. Sólo cambios físicos

______

Lluvia ácida

6. Rhizobium

______

Ciclo del fósforo

7. CFC

______

Ciclo del agua

CPECH Preuniversitarios

143

capítulo

5

Ejercicios

Ejercicios resueltos 1. El dióxido de carbono no es tan peligroso pues

I) II) III)

es irritante y pesado. se reduce con la fotosíntesis. se produce en escasa cantidad.



A) B) C) D) E)

Sólo II Sólo III Sólo I y III Sólo I y II I, II y III

Alternativa: A. Habilidad: Comprensión. Defensa: El dióxido de carbono (CO2) ecológicamente no es tan dañino pues se reduce de la atmósfera en forma natural en el proceso de fotosíntesis donde este gas pasa a formar parte de las moléculas orgánicas de algas, plantas y vegetales.

2. El esmog fotoquímico es aquel que

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Preuniversitarios



144

A) B) C) D) E)

posee alta cantidad de partículas sólidas. presenta escasa cantidad de gases de carbono. posee alta cantidad de anhídridos de nitrógeno. se produce en ciudades húmedas. tiene escasa concentración de polvo cósmico.

Aternativa: C. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: El esmog fotoquímico, producido principalmente en zonas secas y cálidas, se caracteriza por contener gran cantidad de anhídridos de nitrógeno, los cuales por acción de la radiación ultravioleta se descompone generando ozono (O3) a nivel de tropósfera.

3. Un agua dura no puede ser usada para mezclarlas con detergentes pues

A) B) C) D) E)

posee iones de sodio e iones cloruro. aumenta la acidez del agua. provoca toxicidad a nivel íntimo de los organismos. no puede ser eliminado por el organismo. forma coágulos disminuyendo la capacidad del detergente.

Alternativa: E. Habilidad: Comprensión. Defensa: El agua dura presenta en disolución principalmente iones calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+), los cuales reaccionan con los aniones de jabones y detergentes formando coágulos en vez de espuma, por lo tanto, disminuyen su poder limpiador.

4. La plantación de árboles y el cuidado de los bosques nativos es preocupación constante, pues los vegetales

A)

disminuyen la concentración de O2.



B) C) D)

disminuyen la concentración de CO2. aumentan la producción de CO. equilibran los gases de nitrógeno.



E)

reducen los niveles de SO2.

Alternativa: B. Habilidad: Comprensión. Defensa: La reforestación y la disminución de los niveles de deforestación de bosques nativos son acciones culturales que disminuyen las concentraciones ambientales de dióxido de carbono (CO2) por medio de la fijación biológica efectuada por la fotosíntesis.

Química ambiental

Capítulo 5

Ejercicios

óxidos de nitrógeno (N2O3 y N2O5). tipos de esmog. partículas sólidas del aire.

A) B) C) D) E)

contienen pesticidas. poseen metales pesados. tienen un nivel de detergentes bastante alto. poseen microorganismos. todas las anteriores.

Respuestas correctas

Preuniversitarios



CPECH

2. El consumo de aguas servidas podrá provocar enfermedades infectocontagiosas porque estas aguas

Petróleo. Desechos orgánicos y basuras. Desechos radiactivos. Pesticidas. Contaminación térmica.

Habilidad

C) D) E)

A) B) C) D) E)

Alternativa





Número

óxidos de carbono (CO y CO2).

Comprensión

óxidos sulfurosos y sulfúricos (SO2 y SO3).

B)

Comprensión

A)



5. La contaminación del agua es la que tiene más impacto sobre los seres vivos, ya que tanto plantas y animales requieren del agua para sus procesos biológicos. Dentro de los contaminantes del agua, ¿cuál es el que tiene más incidencia en las grandes ciudades?

D



Destrucción de la capa de ozono. Inversión térmica. Efecto invernadero. Lluvia ácida. Contaminación térmica.

A

1. La acidez del aire provoca corrosión en los metales. Esta acidez está determinada principalmente por

A) B) C) D) E)

1

Ejercicios propuestos



2

Alternativa: C. Habilidad: Comprensión. Defensa: Los horizontes afectos a erosión son principalmente el A y el B, no obstante, de ambos el que presenta la mayor penetración radicular y cuyo origen es mineral (roca madre meteorizada) es el horizonte B.

Comprensión

O A B C R

Comprensión

A) B) C) D) E)

4. “Es un fenómeno que se caracteriza por el calentamiento global del planeta, producido principalmente por exceso de CO2 en la atmósfera; esto genera desequilibrios en el ciclo de vida de las especies susceptibles a cambios de temperatura”. El fenómeno del que se habla corresponde a:

B



elemento químico. mineral que posee azufre. compuesto que lleva óxidos de azufre. sólido que se combina con el aire. elemento que se puede combustionar.

C

Son propias del horizonte

A) B) C) D) E)

3





4



Horizonte afecto a la erosión hídrica y eólica. Horizonte que presenta mayor penetración radicular. Horizonte fundamentalmente de origen mineral.

Comprensión



I) II) III)

B



3. Al combustionar carbón se producen gases sulfurosos y sulfúricos porque el carbón es un

5

5. Las siguiente características:

145

146

CPECH

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Capítulo 6

procesos químicos industriales Aprendizajes Esperados

Conocer los principales procesos químicos industriales. Reconocer etapas en la industria química de transformación. Comprender la necesidad de cambiar las fuentes de energía actualmente empleada en los procesos químicos por otras alternativas y menos polutivas. Comprender el efecto contaminante v/s factor económico involucrado con los procesos químicos.

capítulo

6

La industria química permite el desarrollo y aplicación de tecnologías para que materias primas, naturales o artificiales, puedan ser usadas a favor de la población y su desarrollo. Los procesos productivos que involucran la transformación de materias primas para obtener productos intermedios o finos, son variados.

Procesos químicos industriales

Las industrias químicas fabrican una enorme gama de productos, desde los petroquímicos básicos tales como el etileno, propileno y sus polímeros, hasta productos farmacéuticos y químicos con valor agregado. La mayoría de los productos químicos son de uso industrial, siendo la misma industria química su principal consumidor. Los otros grandes consumidores son las industrias de transformación química que generan los productos químicos derivados para el uso cotidiano como jabones, detergentes, envases de plástico, cloro, fertilizantes, perfumes, fibras naturales y sintéticas para la fabricación de ropa, etc.

1. La industria química La industria química permite el desarrollo y aplicación de tecnologías para que materias primas naturales o artificiales puedan ser usadas en favor de la población y su desarrollo. De este modo, los procesos productivos que involucran la transformación de materias primas para obtener productos intermedios o finos, son variados. La principal fuente de materiales es la naturaleza. Los materiales de origen animal, vegetal o mineral se tratan para su transformación. Estos materiales son la base para el proceso, y se conocen como materia prima. Aquellos productos que no provienen de una materia prima natural y que son preparados por el hombre se denominan materiales sintéticos. Es posible, de esta forma, diferenciar los productos químicos naturales como aquellos obtenidos directamente de un proceso de extracción y purificación de materia prima natural como el cobre, molibdeno, oro, plata, petróleo, de aquellos productos químicos artificiales, como son los derivados del petróleo (gasolina, plásticos, perfumes, etc.)

2. Procesos industriales químicos involucrados en el desarrollo económico 2.1 Fabricación de vidrio El vidrio es un sólido amorfo, carente de ordenaciones moleculares definidas tal como en un líquido. Por esta razón, se le considera un líquido sobrenfriado. Entonces, cuando se rompe, lo hace en distintas direcciones sin forma definida alguna.

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Preuniversitarios

El vidrio corriente empleado en la fabricación de botellas, vasos, ventanas corresponde a un mezcla de óxido de calcio, carbonato de sodio y principalmente óxido de silicio (arena), que es calentada a temperaturas que superan los 680 0C.

148

El proceso de producción es continuo, es decir, por un extremo del caldero se introducen las materias primas y por otro lado sale el vidrio fundido. Este producto es traspasado a otros calderos que mantienen una determinada temperatura de trabajo (según el tipo de vidrio a producir) bajo la cual se transfiere a máquinas de moldeo para producción en masa.

Capítulo 6

Procesos químicos industriales

Proceso de producción del vidrio Recepción, dosificación y mezcla de materias primas

Fusión (reacción de los componentes y formación del vidrio)

Sabías que... Conformación. Según tipo de vidrio a elaborar

La presencia de pequeñas cantidades de algunos óxidos metálicos disueltos en la masa de vidrio produce coloración según su estado de oxidación: Fe2+ azul Fe3+ amarillo Co3+ verde Cr3+ café Cu2+ rojo azulado Mn3+ violeta Au3+ rojo Ag+ amarillo

Enfriamiento

Recocido

Control de calidad

Almacenamiento

Expendio

Hacia el recuperador Materias Primas

Tolva

Laminado 1.500 ºC 1.200 ºC 800 ºC

Zona de fusión

CPECH

Quemadores

Zona de enfriamiento

Preuniversitarios

149

capítulo

6

Del sílice procesado, se obtienen distintos tipos de vidrio. Así, según la conformación o función que éstos cumplan, se pueden clasificar en: • Tubo de vidrio: corresponde al estirado del tubo de masa fundida, con inyección de aire comprimido intermitente para formar las paredes del tubo. • Vidrio plano: el proceso de producción se realiza por flotación, lo que permite obtener un vidrio más procesado y fino. Sus usos se encuentran en vidrios grabados, serigrafía, vidrios aislantes, térmicos y metalizados. • Fibra de vidrio: la fabricación de fibras continuas se realiza por el método de estirado por hileras o trafilado. Las fibras son sometidas a tratamientos de recubrimientos orgánicos y tratamientos térmicos y son secadas en estufas para generar polímeros de estas fibras. La fibra de vidrio es liviana, resistente a la corrosión y a las altas temperaturas. • Vidrio hueco: incluye los productos fabricados en forma unitaria, es decir botellas, frascos, recipientes, bombillas para ampolletas, bulbos para televisores, vasos, artículos de iluminación, adornos, artículos de laboratorio, etc. • Fibra óptica: fibras de vidrio agrupadas en forma paralela que poseen un alto índice de refracción, separadas por capas delgadas de vidrio de bajo índice de refracción que hacen posible transmitir imágenes a través de ellas. Empleadas en combinación con láseres, las fibras ópticas son hoy cruciales para la telefonía de larga distancia y la comunicación entre computadoras. Ventajas del envase de vidrio sobre el envase plástico Envase de vidrio

Envase de plástico

Envase reciclable

Envase desechable

100 % Reciclable

No reciclable totalmente

Son infinitamente reciclables

Reciclaje limitado

No alteran las propiedades organolépticas del contenido

Reaccionan con el contenido alterándolo

Utiliza materia prima directamente en su producción.

Utiliza derivados del petróleo y aditivos en su fabricación.

Las desventajas de la fabricación del vidrio corresponden a los contaminantes que genera esta industria y que si bien son leves, contribuyen al incremento de efectos tales como la lluvia ácida, smog, efecto invernadero, contaminación del agua, residuos sólidos no biodegradables y contaminación acústica.

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2.2 Fabricación del papel

150

El papel es un material formado por hojas delgadas obtenidas por laminación de una masa pastosa (pulpa) compuesta por fibras vegetales de celulosa. El gran desarrollo del papel se debe a la relación utilidad/precio, que le otorga ventajas comparativas frente a otros materiales. La materia prima para la elaboración del papel es la madera que es la fuente primaria de las fibras de celulosa. En esta industria se ocupan distintos productos químicos para su procesamiento. Para fabricar una tonelada de papel se necesita cortar 17 árboles de a lo menos 8 años de edad, y en el proceso se producen 30 kilos de contaminantes atmosféricos. En Chile la madera más utilizada para la producción del papel es el pino insigne.

Capítulo 6

Procesos químicos industriales

La industria del papel consume grandes cantidades de madera y agua cada año, contribuyendo a la deforestación e incremento del efecto invernadero, además aporta contaminantes para la lluvia ácida (gases de azufre y nitrógeno) siendo también responsable de la contaminación de las aguas en los sectores cercanos al lugar de procesamiento, no obstante, en la actualidad se ocupa la tecnología para disminuir los índices de contaminación y se toman las medidas para reforestar y devolver en parte al medio los recursos extraídos. El proceso de fabricación de papel consiste en 6 etapas básicas: 1. Los troncos son llevados a la planta de tratamiento primario para retirarles la corteza. 2. Los troncos descortezados son triturados hasta generar pequeños fragmentos conocidos como “chips”. 3. Los fragmentos son llevados a un estanque para el proceso de cocinado y digestión, donde se adiciona hidróxido de sodio y se obtiene la pulpa de madera. 4. La pulpa es lavada y cernida. Luego, se elimina parte del agua que contiene. 5. La pulpa es conservada en grandes tanques, desde los cuales es transferida según las necesidades de producción a la etapa final del proceso que consiste en el batido de la pulpa hasta separar la fibras, cortarlas y peinarlas antes de someterlas a gran presión para formar la lámina del espesor deseado. En esta etapa, se emplea el ácido sulfúrico como blanqueador de las fibras. 6. La lámina convertida en hoja de papel es comprimida y secada en varias etapas hasta que el proceso termina en la formación de la bobina o gran rollo de papel.

2.2.1 Reciclaje del papel El aumento de la demanda de papel para la vida cotidiana ha multiplicado la posibilidad de utilizar papel de desecho y cartón como pasta de papel; con ello se consigue un gran ahorro de energía en el proceso de fabricación de la pasta primaria y la ventaja de no tener que utilizar madera de los bosques. Las técnicas de reciclaje han evolucionado con mucha rapidez desde la II Guerra Mundial, y los dos sistemas principales de recuperación se aplican sobre papel impreso, que incluye el lavado de la tinta, y sobre papel de envoltorio y cartón, de mayor rugosidad y porosidad y con ausencia de grabados.

2.3 Metalurgia del cobre

Oxidado

Cátodo de cobre 99,98%

Molienda

Flotación

Molibdeno

Fundición (Cobre Blister)

Precipitación electrolítica

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Sulfurado

CPECH

Mineral de cobre

Precipitación electrolítica

Lixiviación

151

capítulo

6

El cobre es un elemento relativamente escaso sólo un 0,0068 % de la masa de la corteza terrestre. El metal es de color café rojizo. Como sabemos, Chile es el principal país productor del mundo. En nuestro país, la producción de cobre proviene principalmente de las regiones segunda y sexta, las que en conjunto contribuyen con el 47% y 22% respectivamente de la producción nacional.

Es habitual que la mena esté asociada a cierta cantidad de materiales estériles, como la caliza y el sílice, que hacen que el mineral sea impuro. Estos materiales reciben el nombre de ganga y deben ser eliminados en las operaciones previas, lo que supone un considerable ahorro de reactivos y energía en las operaciones siguientes.

2.3.1 Propiedades y aleaciones del cobre El cobre tiene muchas propiedades que lo hacen atractivo y muy demandado por muchos países. Algunas de sus cualidades son: - Metal de color rojizo - Su densidad es de 8,92 g/cm3 - Es dúctil y maleable - Es muy buen conductor de calor y electricidad - Antimicrobiano Algunas de sus aleaciones son: BRONCE: Cobre-Estaño LATÓN: Cobre-Cinc BRONCE ALUMINIO: Cobre- Aluminio PLATA ALEMANA: Cobre-Níquel-Cinc METAL MONEL: Cobre-Níquel- Manganeso-Hierro

2.3.2 Proceso de producción del cobre La metalurgia del cobre depende del tipo de mineral que se va a explotar, es decir, el cobre puede estar acompañado por oxígeno, siendo cobre oxidado, o por azufre, siendo cobre sulfurado. En general, la metalurgia del cobre se divide en 3 grandes etapas: Extracción, Concentración y Refinación.

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La extracción busca retirar el mineral de las minas, para luego disminuir su tamaño, gracias al chancado y la molienda. La concentración busca separar el mineral deseado de lo que se denomina ganga. Finalmente la refinación busca conseguir el metal con el mayor grado de pureza.

152

Capítulo 6

Procesos químicos industriales

Las etapas de la producción son las siguientes:

Extracción de cobre oxidado Ej. Cuprita Cu2O

Extracción de cobre sulfurado Ej. Calcopirita CuFeS2

Chancado: La roca que contiene el mineral es triturada con el objetivo de disminuir su tamaño

Molienda: se sigue reduciendo el mineral, moliéndolo incluso a menos de 0,2 milímetros de diámetro

Concentración por Lixiviación: consiste en la disolución del cobre desde su mineral oxidado, gracias a la acción de ácido sulfúrico H2SO4, como líquido lixiviante, obteniendo sulfato de cobre

Concentración por Flotación: consiste en agregar agentes químicos para lograr adherir el mineral sulfurado a burbujas de aire que salen por el rebalse a canaletas colectoras. De este proceso se obtiene el Molibdeno.

Extracción por solventes: consiste a la acción de compuestos orgánicos que ayudan a capturar iones Cu+2 en forma selectiva eliminando impurezas de Fe, Al y Mn.

Fundición: procesos a altas temperaturas, donde se funde el mineral: •Fusión: separa el cobre de Fe y Al. •Conversión: convierte sulfuros en óxidos •Refinación: funde con cal, forma ánodos de cobre

Electro- Obtención: la solución de sulfato de cobre, se electroliza con cátodos (-) y ánodos (+) de acero inoxidable, produciéndose un depósito de cobre en el cátodo, con 99,9% de pureza.

Electro- refinación: se purifican ánodos por electrólisis. Se emplea soluciones de sulfato de cobre y ácido sulfúrico. Obteniendo cátodos con 99,9% de pureza. Además, desde los ánodos se obtienen los barros anódicos de los cuales se obtiene oro y plata.

2.4 Salitre Se obtiene a partir del Caliche, que es un mineral que contiene altas concentraciones de nitrato y yodo, que se encuentra en capas de dos a tres metros de espesor y dos metros bajo la superficie del desierto. Entonces el salitre, es un mineral no metálico, que está formado principalmente por nitrato de sodio (NaNO3), junto con nitrato de potasio (KNO3), además de iodato de calcio (Ca(IO3)2).

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Como subproducto de la purificación del salitre, en la etapa de cristalización, se obtiene el yodo como yodato de sodio (NaIO3), el cual se lava, prensa y purifica por sublimación.

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Esta mezcla de compuesto se utiliza en la fabricación de fertilizantes en la agricultura, industria farmacéutica y fabricación de explosivos.

153

capítulo

6

Caliche

Molienda

Lixiviación

Cristalización

Sulfato de sodio

Salitre

Yodo

2.5 Carbonato de litio Se obtiene directamente de las salmueras, ubicadas a unos 30 metros de profundidad, principalmente del Salar de Atacama. La extracción se realiza por bombeo, donde las salmueras se dejan a evaporar en medio del desierto, para así obtener disoluciones saturadas de carbonato de litio, además de sales de magnesio y boro.

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Los usos son variados, siendo principalmente utilizados en la industria del vidrio, en fabricación de cerámicas, en celdas de energía y aplicaciones médicas.

154

Capítulo 6

Procesos químicos industriales

3. Conservación de los recursos energéticos de la tierra La industria química, en sus procesos de obtención de productos, emplea una gran cantidad de energía cuya base principal son los combustibles fósiles y derivados del petróleo. Es imprescindible mejorar la tecnología y disminuir las emisiones contaminantes a la vez que se reemplazan dichas fuentes de energía. La tendencia actual apunta a reemplazar la bencina o el petróleo por otros combustibles como el hidrógeno, el metanol y la energía solar. • Hidrógeno: el hidrógeno se obtiene del agua por hidrólisis mediante el uso de la electricidad. Debido a que es un gas, cuando se quema con el oxígeno, produce agua como desecho y una considerable cantidad de energía. Su principal problema radica en su almacenamiento dada su alta inflamabilidad con el aire. • Metanol: es un líquido incoloro que se obtiene como subproducto de la industria de la celulosa y se conoce como alcohol de quemar. Es tóxico, corrosivo y sólo posee la mitad de la energía que posee la gasolina. El uso de metanol disminuye las emisiones de monóxido de carbono y óxidos de azufre y nitrógeno, pero emite formaldehído el cual es cancerígeno; sin embargo, dicha emisión se anula al incorporar un convertidor catalítico especializado. • Energía solar: la energía solar se ve a largo plazo como la mejor solución para superar los problemas de contaminación ambiental y consumo de combustibles fósiles. Para producir electricidad existen dos sistemas, la luz solar se concentra en una estación colectora o placa solar para calentar un fluido, que se utiliza para producir vapor a fin de generar electricidad. El sistema más común de generar electricidad a partir de luz es el fotovoltaico, el cual se emplea en relojes y calculadoras solares así como en estaciones espaciales y satélites.

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155

Proceso productivo industrial

Contaminación

Emisiones sonoras continuas (80 - 120 dB)

Acústica

Residuos tóxicos (sólidos, líquidos, gaseosos)

Atmosférica

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capítulo

Síntesis de contenidos

Extracción Materia Prima

Transporte hacia Planta

Trituración primaria

Pre - homogenización M.P.

Molienda M.P.

Elaboración de productos

Emisiones gases continuas (NOx, SOx, COx)

156

Control de calidad

Almacenamiento

CPECH

6

Capítulo 6

Procesos químicos industriales

Actividades

1. Verdadero y falso 1.

El vidrio es un sólido amorfo y cuando se rompe lo hace irregularmente.

_____

2.

Los procesos de producción de la materia prima son finos y variados.

_____

3.

La materia prima para la elaboración del papel son las hojas de los árboles.

_____

4.

El metanol es un alcohol potable.

_____

5.

El hidrógeno se obtiene del agua por hidrólisis por medio de la electricidad.

_____

6.

Son subproductos de la industria del cobre el molibdeno, la plata y el oro.

_____

7.

La industria química otorga valor agregado a la materia prima.

_____

8.

Los envases de vidrio son 100% reciclables.

_____

9.

El cobre electrolítico posee un 99,98% de pureza.

_____

10.

La energía solar podría reemplazar el uso de combustibles fósiles como fuente de energía. _____

CPECH Preuniversitarios

157

capítulo

6

Ejercicios

Ejercicios resueltos 1. Referente a las industrias químicas, señale la alternativa incorrecta:

I) Otorgan valor agregado a los productos finales. II) Utiliza sólo materias primas naturales. III) Son fuente de riqueza para el país.



A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y III Sólo II y III

Alternativa: B. Habilidad: Comprensión. Defensa: Las industrias químicas a través de medios físicos y/o químicos transforman la materia prima, con poco valor económico, en productos intermedios o finales con un valor económico mucho mayor, por lo cuál se consideran fuente de riqueza económica para el país. Las industrias de transformación no sólo emplean materias primas naturales, sino también sintéticas (polímeros) para obtener productos industriales finos.

2. En la fabricación del vidrio

CPECH

Preuniversitarios



158

I) la principal materia prima es sílice. II) emplea la temperatura como medio de transformación. III) la resistencia de materiales se obtiene en el proceso de recocido.



Es (son) correcta(s)



A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y II I, II y III

Alternativa: E. Habilidad: Comprensión. Defensa: Para producir vidrio se emplea como materia prima fundamental el sílice o cuarzo, que se obtiene de la arena. El medio de transformación de las materias primas es la temperatura (sobre 1000° C), así, el vidrio obtenido toma la forma deseada y entra al proceso de recocido en el cual, el material producido obtiene resistencia física y mecánica, haciendo más larga su vida útil.

3. Referente a la industria del cobre en Chile es falso que:

A) Las regiones II y VI son la principales productoras. B) Es fuente de riqueza económica para Chile. C) El cobre Blister presenta la más alta pureza. D) Produce oro como subproducto. E) Produce plata como subproducto.

Alternativa: C. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: La producción del cobre en nuestro país está liderada por las regiones II (Chuquicamata) y VI (el Teniente), las cuales en conjunto aportan el 69% de la producción nacional generando lo que se llama “el sueldo de Chile”. A través de la refinación electrolítica se obtiene el cobre de más alta pureza, el cobre electrolítico”, obteniéndose como subproductos del proceso oro y plata, que permiten pagar los gastos fijos de la producción de este mineral.

Capítulo 6

Procesos químicos industriales

Ejercicios 4. En la fabricación de papel

I) II) III)

la materia prima son los árboles. se puede reutilizar el producto final. los desechos contaminantes son mínimos pues la materia prima es natural.



Es (son) correcta(s)



A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y II I, II y III

Alternativa: D. Habilidad: Comprensión. Defensa: La industria del papel ocupa como materia prima la madera de los árboles para obtener la pulpa de celulosa, pudiendo también servir el papel ya producido (reciclaje). Esta industria de transformación es una de las más contaminantes del medio, pues emplea una gran cantidad de combustibles fósiles, bases y ácidos para obtener y blanquear la pulpa de celulosa con la que se elabora el papel.

5. Un proceso intermedio común en a las industrias de transformación es

A) B) C) D) E)

la centrifugación. la molienda. la fundición. la flotación. la hidratación.

1. Referente a las industrias químicas es correcto que:



A) El empleo de materia prima natural genera niveles de contaminación mínimos. B) Las materias primas sólo se usan para obtener materiales sintéticos. C) La obtención de productos intermedios y finos a partir de materia prima les otorga a estos valor agregado. D) Las industrias químicas no involucran un desarrollo económico. E) Las fuentes de energía utilizadas en la industria química son eficientes y poco polutivas.

2. La fabricación del vidrio posee ciertas ventajas respecto a otras industrias de transformación dentro de las cuales destaca(n)

I) II) III)

alto nivel de reciclaje. no emplear materias primas orgánicas para su fabricación. ausencia de generación de contaminantes durante la producción.



Es (son) correcta(s)



A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y II I, II y III

CPECH Preuniversitarios

Alternativa: B. Habilidad: Comprensión. Defensa: El proceso común de las industrias de transformación es la molienda o trituración, es así, que mediante este proceso se logra aumenta la superficie de contacto de las materias primas con sus reactantes, lo cual favorece su transformación en el corto plazo.

Ejercicios propuestos

159

capítulo

6

Ejercicios

3. Del proceso de fabricación del papel es incorrecto que A) B)

la materia prima es la madera. La pulpa de madera se obtiene directamente de la trituración de troncos. C) La industria emplea ácido sulfúrico como blanqueador de las fibras obtenidas de la pulpa. D) La industria del papel consume en su producción mucha madera y agua. E) La industria del papel posee un gran nivel de reciclaje y subproductos.

4. En la metalurgia del cobre I)

el cobre oxidado sufre el proceso de lixiviación. II) el cobre sulfurado sufre el proceso de flotación. III) el nivel de pureza más alto para el cobre electrolítico es 99,98%.

5. La industria química en sus procesos de obtención de productos emplea una gran cantidad de energía cuya base principal son los combustibles fósiles y derivados del petróleo, no obstante, en la actualidad se trabaja para que en el mediano plazo estos combustibles puedan ser reemplazados por alternativas energéticas. De estas fuentes de energía alternativas I) II) III)

el hidrógeno genera agua como desecho pero su almacenamiento es complicado por ser altamente explosivo. la energía solar es la más viable alternativa de energía eléctrica en la actualidad. el metanol es muy energético y libera carcinógenos como desecho de combustión.

Es (son) correcta(s) A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y II I, II y III

Es (son) correcta(s) A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo III Sólo I y III I, II y III

Reconocimiento

E

4

Comprensión

B

3

Comprensión

D

2

Reconocimiento

C

1

Alternativa

Número

Habilidad

CPECH

Comprensión

D

160

5

Preuniversitarios

Respuestas correctas

Capítulo 7

químicA ORGÁNICA Aprendizajes Esperados

Comprender la utilidad de los derivados del carbono. Clasificar los compuestos derivados del petróleo. Conocer los distintos tipos de compuestos orgánicos. Nombrar compuestos orgánicos. (hidrocarburos y grupos funcionales)

El carbón es un mineral negro, de remoto origen vegetal, que procede de las materias vegetales descompuestas acumuladas desde épocas prehistóricas con condiciones climáticas que favorecieron un ciclo de crecimiento rápido – descomposición – crecimiento – nueva descomposición, que fue depositando materias vegetales en forma creciente...

capítulo

7

Química orgánica

H2OC H CO2H H

HO

H3C CH3

Ácido láctico

Ácido sarcoláctico

Los compuestos de carbono presentan uno de los aspectos más interesantes de la química. Una de las razones por la que interesa su estudio es por el rol que juegan en la química de los seres vivos, tanto vegetales como animales. Otra, es por su gran espectro de usos: fármacos, colorantes, drogas, detergentes, plásticos, perfumes, fibras, aromas, enzimas, vacunas, etc. La fabricación de estos compuestos ha creado una gigantesca industria química que consume anualmente millones de toneladas de materias primas, por lo que se hace necesario estudiar las principales fuentes de obtención del carbono y de sus compuestos. A pesar de ser un elemento tan importante para la vida en la Tierra, su abundancia no alcanza al 0,1%, en masa, en la corteza terrestre. Paradójicamente, es el segundo elemento en abundancia en el cuerpo humano, donde alcanza un 17,5% en masa. El carbono abunda en la naturaleza, libre y combinado, pues todas las sustancias animales y vegetales lo contienen. El carbono libre forma tres estados que son: diamante, grafito y carbono amorfo (en esta última clase destacan la hulla, la antracita, lignito y turba).

1. Fuentes naturales de obtención del carbono 1.1 Carbono elemental Se presenta en dos tipos de cristales que se diferencian en cuanto a la forma y propiedades.

CPECH

Preuniversitarios

Sabías que...

162

La revolución industrial fue posible gracias al carbón. Este combustible fósil hizo posible el funcionamiento de las máquinas industriales, el desplazamiento de barcos, trenes y la iluminación de las ciudades. En 1910, el 91% de la energía consumida en todo el mundo aún procedía del carbón; más tarde, éste fue reemplazado por el petróleo.

• Grafito: cada átomo de carbono está unido a tres átomos vecinos, formando redes cristalinas plano-hexagonales, las que pueden desplazarse unas sobre otras, lo que explica el hecho de que el grafito sea blando. Además, propiedades tales como su elevado punto de fusión y el hecho de que es un buen conductor de la corriente eléctrica se deben a que las redes plano-hexagonales están íntegramente formadas por enlaces covalentes (muy fuertes y difíciles de romper) y que uno de cada tres enlaces es doble, lo que otorga una gran cantidad de electrones que bajo una diferencia de potencial se mueven fácilmente, permitiendo la conductividad eléctrica. • Diamante: cada átomo de carbono está unido por enlaces covalentes a cuatro átomos vecinos, cada uno situado en los vértices de un tetraedro regular. Por esta razón, el diamante es durísimo y su punto de fusión tan alto, pues su estructura cristalina tiene una gran regularidad. La energía de los enlaces carbono-carbono es muy grande. A diferencia del grafito, el

Capítulo 7

Química orgánica

diamante no puede conducir la corriente eléctrica, pues no posee enlaces dobles; en otras palabras, no posee electrones móviles capaces de migrar frente a una diferencia de potencial. • Carbón: el carbón es un mineral negro, de remoto origen vegetal, que procede de las materias vegetales descompuestas acumuladas desde épocas prehistóricas, con condiciones climáticas que favorecieron un ciclo de crecimiento rápido – descomposición – crecimiento – nueva descomposición, que fue depositando materias vegetales en forma creciente hasta formarse vastos depósitos. Luego, sobre esto se depositaron rocas sedimentarias que impidieron el acceso de aire a las capas inferiores y las sometieron a enormes presiones. Posteriormente, las capas fueron comprimidas en lechos duros, compuestos principalmente por C de las plantas originarias, por H2, N2, O2 y algo de S. En consecuencia, el carbón extraído no es 100% carbono sino que mezclas.

El carbón más puro es la antracita, que contiene entre 85 y 95% de C. La hulla contiene aproximadamente un 78% de C y la turba, entre 60-70%.



Al calentar carbón a altas temperaturas en ausencia de aire, se pueden destilar, entre otros, NH3, fenol, benceno, quedando un residuo conocido como coke, que se aplica en la reducción de mineral de hierro (óxidos) a hierro metálico en la fabricación de acero.



En Chile, lo que se obtiene es mineral de hulla en las minas de Lota.



El carbono sintético se obtiene mediante procesos que concluyen en: - Carbón vegetal: se obtiene por calentamiento sin aire de la madera. Los desprendidos son una mezcla de compuestos orgánicos de alto valor comercial. - Carbón mineral: se obtiene al someter huesos de animales a calentamiento sin aire y constituye un residuo negro que contiene 10% de carbono, finamente dividido entre la estructura porosa del fosfato cálcico (Ca3(PO4)2).

1.2 Petróleo

Para esto, las fracciones más altas del fuel oil se calientan bajo presión con catalizadores, con lo que se rompen las moléculas grandes, originando otras más pequeñas y volátiles. Este proceso, que se realiza 500 °C y a 15 atmósferas de presión, constituye el Craking Catálico de petróleo.

Preuniversitarios

Se origina de las materias vivas acumuladas en edades remotas, materias que han sufrido grandes transformaciones químicas en el tiempo. Se encuentra en las formaciones de rocas porosas, envueltas por rocas impermeables que encierran los bolsones de petróleo. Cuando se perfora un bolsón, el petróleo fluye a través de la estructura porosa, empujado por la fusión de los gases y aguas subterráneas, y sale a la superficie.

La creciente demanda de gasolina ha obligado a recurrir a un método por el que algunas moléculas más pesadas, comprendidas dentro de los límites del gas oil, se transforman en otras más ligeras con puntos de ebullición más bajos, comprendidas dentro de los límites de la gasolina.

CPECH

Es un líquido oleoso, de color variable que va del amarillo pardo al negro. Consiste en una mezcla compleja de hidrocarburos, desde los de menor número de átomos de carbono hasta los más elevados.

Sabías que...

163

capítulo

7

1.2.1 Refinación del petróleo La refinación del petróleo, se divide en dos procesos. Por un lado, la destilación fraccionada y posteriormente la etapa de conversión. Una vez extraído el petróleo de los pozos petrolíferos, junto con fracciones de gas y agua, es conducido por lo oleoductos hacia las refinerías, donde ingresa primero a la torre de destilación primaria o torre de destilación atmosférica. La destilación fraccionada es un proceso de separación que se basa en los diferentes puntos de ebullición de la mezcla. También se puede asociar al peso molecular que tienen los hidrocarburos, ya que esto último se relaciona directamente con los puntos de ebullición. Por lo tanto, al ir aumentando la temperatura, los hidrocarburos más livianos (bajos puntos de ebullición) salen por lo más alto de la torre, sin embargo, los más pesados (altos puntos de ebullición) salen por la parte baja de la torre. Todas las fracciones del destilado del petróleo, son sometidas a tratamientos posteriores para convertirlas en los productos finales deseados. Es así como se aplica la conversión, que se basa en ciertos procesos tales como Cracking, Isomerización y alquilación, buscando, de alguna manera, mejorar el rendimiento del crudo, ya que una de las principales finalidades de destilar el petróleo es obtener gran fracción de combustibles. Es así, como el cracking, que puede ser catalítico o térmico, los hidrocarburos más pesados, o de cadenas más larga, se transforman en más livianos o de cadena corta. La Isomerización transforma moléculas en otras de igual número de átomos, pero con disposición distinta. La Alquilación es una síntesis química por medio de la cual se unen olefinas ligeras con isobutano, produciendo un alquilado con puntos de ebullición que se ubican dentro del intervalo de la gasolina.

Productos de la destilación del petróleo

CPECH

Preuniversitarios

Producto

164

Composición

Destila entre

Gases

Metano a pentano C1 →  C5

− 165 °C a 30 °C

Éter de petróleo

Pentano a heptano C5  →   C7

30 °C a 90 °C

Disolventes, lavado en seco

Gasolina o bencina

Heptano a nonano C7   →    C9

70 °C a 200 °C

Disolvente, combustible para motores de automóviles a explosión.

Kerosene (parafina)

Decano a hexadecano C10  →    C16    

175 °C a 275 °C

Alumbrado y combustible para calefactores.

Pentadecano a octadecano C15    →   C18

275 °C hasta 375 °C

Gas oil o aceite combustible o petróleo Diesel

Aplicaciones Combustibles gaseosos, metano, gas de cañería.

Combustible para hornos y calefactores y para motores Diesel.

Capítulo 7

Química orgánica

Aceites lubricantes, vaselinas

C20  →    C30

Ceras de parafina

C20  →     C32

Betún, alquitrán, asfaltos Coque de petróleo

Por encima de 350 °C

Fusión 27 °C a 69 °C

Lubricación y pomadas

Velas, impermeabilización. Asfalto artificial, recubrimiento, adhesivos.

Residuo Residuo de destilar o secar

Electrodos de carbón

1.3 Gas natural Es una mezcla de compuestos de carbono e hidrógeno, de baja Masa Molar como el Metano, etano, propano y butano. Siendo el metano el principal gas. Estos hidrocarburos se encuentran en campos subterráneos de arenas u otras rocas porosas. El gas fluye generalmente hacia la superficie cuando el campo es perforado en busca de petróleo. Composición de gases Constituyente

Fórmula

Composición

Metano

CH4

95 - 98 %

Etano

C2H6

0,8 - 1 %

Propano

C3H8

0,3 - 0,5 %

Butano

C4H10

0,2 - 0,3 %

Otros

-

3,7 - 0,2 %

Ejemplo: Vertedero Lo Errázuriz, Lepanto.

1.4 Productos vegetales y animales Las plantas y animales constituyen fábricas químicas muy eficaces que sintetizan muchos compuestos de carbonos útiles para el hombre, tales como: azúcares, almidones, aceites y ceras vegetales, grasas, gelatina, colorantes, drogas, fibras, etc.

CPECH Preuniversitarios

165

capítulo

7

Entre 20 y 70ºC Combustible para transporte y materias primas para la fabricación de plásticos y detergentes

A 20ºC Gases de refinería como el propano y el butano para calefacción, cocina y alumbrado

Entre 70 y 160ºC Nafta virgen que se transforma en combustible de autonomía y en otros productos químicos

Entre 160 y 250ºC Queroseno (parafina): combustible para aviones de reacción y para calefacción

Entre 250 y 350ºC Gasoil que se convierte en combustible diesel y para calefacción

A 400ºC Calentamiento del petróleo bruto

CPECH

Preuniversitarios

Residuos de los que se obtienen: aceite lubricante, vaselina y asfalto

166

2. Propiedades químicas del carbono La estructura electrónica del carbono es: 1s2 2s2 2p2. Puesto que el carbono posee 4 electrones de valencia (los de la última capa), tenderá a formar compuestos en los cuales comparte los 4 electrones de valencia. Es posible observar esta tetravalencia en la mayoría de los compuestos del carbono.

Capítulo 7

Química orgánica

La regla dice que el carbono estará siempre rodeado de 8 electrones o de 4 enlaces cuando forme parte de algún compuesto. Cabe destacar que en el carbono, como en otros elementos, es posible observar no sólo enlaces simples en sus compuestos sino que también enlaces dobles (C=C) y triples (C ≡ C), de 4 y 6 electrones, respectivamente. Esta diversidad de enlaces covalentes provienen de la capacidad del átomo de carbono de hibridar sus orbitales s y p por comodidad energética. El átomo, al presentar hibridación, “se siente más cómodo” estructural y energéticamente. Este proceso de hibridación no es otra cosa que una combinación de orbitales de diferente energía y orientación. Este hecho se explica por la “promoción” de un electrón desde un orbital 2s a uno 2pz. Es decir, de un estado fundamental a uno hibridado. Estado fundamental:

1s2 2s2 2p

1 1 0 x 2py 2pz

Estado hibridado:

1s2 2s1 2p

1 1 1 x 2py 2pz

(Combinación de orbitales) Quedando en este último caso, 4 e que son capaces de enlazarse de modo de asegurar que el C quede rodeado de 8 e en su capa de valencia para cumplir con la Ley del Octeto. E x x

E

C

x

E

x E

Por lo tanto, no debemos extrañarnos si encontramos compuestos como:

CH2=CH—CH=CH2

O

H H

C

C

OH

C C H

H

Preuniversitarios

H

C C

CPECH

C

HC=CH

167

capítulo

7

La metamorfosis del carbono Podemos explicar la formación de enlaces carbono - carbono basándonos en la teoría orbital molecular. Para ello, analicemos primero qué ocurre con los electrones apareados que tiene el carbono en su último nivel.

1s2

2s2

2s1

2s2

2px1

2(sp3)1

2py1

2pz1

2(sp3)1

2py1

Para representar la imagen tridimensional de una molécula en dos dimensiones, se emplea la siguiente convención: lo que está en el plano del papel se dibuja como una línea de un ), si el elemento trazo uniforme ( está hacia atrás se dibuja con una línea ) y lo que viene punteada ( hacia delante del plano del papel, con ). un trazo lleno (

2pz0

energía

py 2s

2px 1

1

2py

2pz

1

1

pz

Estado excitado

s +

Hibridación sp3

2(sp3)1

2px1

Estado fundamental

El dibujo muestra el proceso de hibridación del carbono en sus tres formas: la hibridación sp3 cuando el carbono se une a cuatro átomos. La hibridación sp2, cuando se une a tres átomos. La hibridación sp, cuando se une a dos átomos.

2(sp3)1

2pz0

Estado excitado

Para completar el octeto, el carbono necesita formar cuatro enlaces, es decir, requiere 4 electrones desapareados. Para conseguirlos, el carbono absorbe energía desde el entorno y pasa a un estado excitado, luego combina estos OA entre sí y forma orbitales híbridos en un preoceso llamado hibridación.

1s2

2py1

Estado fundamental

1s2

6C : 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0

2px1

Hibridación sp

Hibridación sp2

1s2

2(sp2)1

2(sp2)1

px

2(sp2)1

2pz1

1s2

2sp1

2sp1

sp3

CPECH

Preuniversitarios

+

168

sp3 sp3 +

sp2

+

sp2 +

sp2 +

sp +

sp +

+

2pz1 p

p

p sp3

2py1

+

109º 120º 180º

Capítulo 7

Química orgánica

3. Compuestos inorgánicos del carbono a. Carburos Son compuestos formados por carbono y un metal. Ejemplo

Ca2C

Carburo de calcio

b. Sulfuros, cloruros y anhídridos Están formados por carbono y no metales. Ejemplos Sulfuros CS2

Disulfuro de carbono

Cloruros

CCl4

Tetracloruro de carbono

Anhídridos CO2

El término saturado asignado a los alcanos y ciclo alcanos alude a la imposibilidad de éstos de añadir más hidrógeno a su molécula, ya que sus átomos de carbono carecen de enlaces disponibles para ello. Los alquenos, alquinos y ciclo alquenos y ciclo alquinos, por tener enlaces múltiples, pueden añadir átomos de hidrógeno a su molécula mediante reacciones de adición. Por eso se les denomina insaturados.

Dióxido de carbono

c. Ácidos Presentan ciertos H que confieren características ácidas a las soluciones. Ejemplos

H2CO3

Ácido carbónico

HCN Ácido cianhídrico

d. Carbonatos, bicarbonatos Carbonatos: son combinaciones de un metal con ácido carbónico. Ejemplo Na2CO3

Carbonato de sodio

Carbonato ácido de sodio o bicarbonato de sodio

Preuniversitarios

Ejemplo NaHCO3

CPECH

Bicarbonatos: son combinaciones de un metal con carbonato ácido, en los cuales el metal reemplaza un hidrógeno del ácido carbónico.

169

capítulo

7

4. Compuestos orgánicos del carbono 4.1 Los hidrocarburos Corresponden a compuestos formados sólo por carbono e hidrógeno. Se consideran los compuestos orgánicos más simples y su nomenclatura es la base para nombrar todos los compuestos orgánicos. Los hidrocarburos pueden clasificarse según el siguiente cuadro. Saturados

Alifáticos Hidrocarburos

Insaturados

Alcanos (Enlace simple C – C) Alquenos (Enlace doble C Alquinos (Enlace triple C

C) C)

Alicíclicos Aromáticos

4.1.1 Hidrocarburos alifáticos Están constituidos por C y H y se dividen en alcanos, alquenos y alquinos. • Alcanos o parafinas: hidrocarburos saturados de cadena abierta. Pueden suponerse derivados del metano (CH4), por sustitución sucesiva de un H por un grupo CH3– (metilo).

Su fórmula empírica general es CnH2n+2, donde n es el número de átomos de carbono. Cada carbono posee valencia IV y sus enlaces, sean con H u otro C, son “simples” con hibridación sp3 que tiene una disposición tetraédrica en el espacio, con cada carbono en el centro del tetraedro.



En general para los alcanos, siempre los grupos de los extremos de la molécula serán CH3– y, al ir aumentando el número de carbonos en la cadena, se va añadiendo un – CH2– .



Así, el alcano que sigue al metano (CH4) resulta de cambiarle a éste un H por otro carbono tetravalente:

Nomenclatura: Para nombrar los alcanos se escribe el prefijo que corresponde a su número de carbonos seguida de terminación ANO.

CPECH

Preuniversitarios



170

Los alcanos con tres o más carbonos pueden ser cíclicos, además de lineales, y constituyen los CICLOS ALCANOS. Llevan el mismo nombre del alcano que corresponde con cadena abierta, pero se antepone la palabra CICLO.

Capítulo 7

Química orgánica

Fórmula del alcano

Número de carbonos

Prefijo IUPAC

Nombre

CH4

1

MET

Metano

CH3-CH3

2

ET

Etano

CH3-CH2-CH3

3

PROP

Propano

CH3-CH2-CH2-CH3

4

BUT

Butano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

5

PENT

Pentano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

6

HEX

Hexano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

7

HEPT

Heptano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

8

OCT

Octano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

9

NON

Nonano

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

10

DEC

Decano

• Alquenos (Olefinas): son hidrocarburos insaturados de fórmula general CnH2n donde n es el número de átomos de carbono. Resultan de extraer dos hidrógenos de carbonos vecinos en un alcano con formación de uno o más “dobles enlaces” (insaturación – CH=CH– ), que tiene hibridración sp2 en cada carbono. En el espacio este doble enlace tiene forma de un plano.

Es lógico que los alquenos con un solo carbono no existan, ya que el doble enlace debe ir entre carbono y carbono. Es importante notar que cada carbono sigue siendo tetravalente.



Para aumentar el número de carbonos en la serie homóloga de los alquenos, se agrega un – CH2– entre dos carbonos que no estén formando doble enlace.



Nomenclatura: Para nombrarlos, se escribe el prefijo que les corresponde según su número de carbonos seguidos de la terminación ENO.

• Alquinos: son hidrocarburos insaturados de fórmula general CnH2n-2 (donde n es el número de carbono). Resultan de la extracción de dos hidrógenos en carbonos vecinos (1 de cada carbono), justo en aquellos que formaban el doble enlace en el alqueno correspondiente, para formar un enlace “triple” con hibridación sp de los carbonos, dispuestos en el espacio de modo lineal. – C=C – (lineal)

Cuando se aumenta el tamaño de la molécula, agregamos un – CH2– entre dos carbonos que no estén formando el triple enlace.

H

C

C

H

H

Etano

H H

H C

H

C

H

C

C

H Eteno

Etino

H

Preuniversitarios

H

H

CPECH

Nomenclatura: Para nombrarlos, se escribe el prefijo que les corresponde según su número de carbonos seguidos de la terminación INO.

171

capítulo

7

Tabla resumen Alcanos

Alquenos

Alquinos

Estructura clave

R—CH2—R

R—CH=CH—R

R—C=C—R

Fórmula general

CnH2n + 2

CnH2n

CnH2n–2

sp3

sp2

sp

Doble enlace planar

Triple enlace lineal

ANO

ENO

INO

CH3— CH2— CH3

CH3—CH=CH2

CH3—C=CH

propano

propeno

Propino

Hibridación de los carbonos claves

Tetraedro

Disposición espacial del C claves

(C en centro)

Nombre terminado en: Ejemplos

Nota: R puede ser H–, CH3, (CH2) n– siendo n cualquier número entero.

Enlace simple

CH3

H

H

Enlace doble

CH3

CH2

H

H

H

C

C

H

H

H

H

C

C

H

H

H

CH2

CH

CH

C

C

H C

H

C

H

H

H H

H

Enlace triple

H

C

C

H H H

C

C

H

4.1.2 Nomenclatura de algunos hidrocarburos alifáticos

CPECH

Preuniversitarios

Hay hidrocarburos alifáticos que poseen ramificaciones y que serán considerados como derivados alquílicos del hidrocarburo de cadena más larga, es decir, todas las ramificaciones que sobresalgan de la cadena más larga, serán especificados como radicales.

172

Se denotan con una letra R y son hidrocarburos a los que se les ha sacado un H+, quedando como aniones. Se nombran con el prefijo que denota su número de carbonos y la terminación IL o ILO. Ejemplo CH4 Ejemplo



H+

metano



metilo

—H+ CH4 metano

CH3—

+ estructura CH3



metilo

CH3—...

metil

Capítulo 7

Química orgánica

Estos radicales son inestables y no se pueden aislar para meterlos en un frasco. N° de C

Radical

Nombre

1

CH3—

Metilo

2

CH3—CH2—

Etilo

3

CH3—CH2—CH2—

Propilo

4

CH3—CH2—CH2—CH2—

Butilo

5

CH3—(CH2)4—

Pentilo

6

CH3—(CH2)5—

Hexilo Heptilo

7

CH3—(CH2)6—

8

CH3—(CH2)7—

Octilo

9

CH3—(CH2)8—

Nonilo

10

CH3—(CH2)9—

Decilo

Ejemplo CH3

Sea el compuesto

CH2 CH3 CH

CH2

CH3

Como se puede apreciar, la cadena más larga es de 5 átomos de carbonos. Por lo tanto, el compuesto será un derivado ramificado del pentano. Es necesario numerar la cadena, comenzando por el extremo de la molécula que está más cerca de la ramificación: 1 CH3 2

CH2

CH3

CH

CH2

CH3

3

4

5

y su nombre es: 3-metilpentano, ya que el radical metil (ramificación) está unido al carbono que ocupa la posición 3 dentro de la numeración de la cadena. Cuando se trata de alquenos y alquinos, donde el doble o triple enlace caracteriza al compuesto, debe indicarse la posición en que se encuentra. Si es necesario, se antepone al nombre del compuesto el número del átomo de carbono en el cual se sitúa el enlace múltiple, eligiendo siempre el Nº menor: Ejemplo

1

—

5’

CH

2

=

4’

CH

3

—

3’ CH2

4

—

2’ CH2

—

5

1’ CH3

6

Es un hexeno, pues tiene una cadena de seis átomos de carbono y posee un doble enlace. Como el doble enlace está entre los carbonos 4’y 5’ ó 2 y 3, de las dos numeraciones alternativas se elige la que asigne el número más pequeño a la ubicación del doble enlace. Entonces, el compuesto es el 2-Hexeno.

Preuniversitarios

6’ CH3

CPECH

Sea el compuesto

173

capítulo

7

Caso 1 cadena principal= decano sustituyentes= etilo y metilo numeración= izquierda nominación= 5-etil-3-metildecano

3

CH3

4

CH

1

CH2

2

CH3

CH2

5

6

10

CH

CH2

CH3

CH2

CH2

7

8

CH2

9

CH2

CH3 CH3

3

Caso 2 cadena principal= octano sustituyentes=etilos y metilos numeración=derecha nominación= 5,6-dietil-2,4-dimetiloctano

CH

CH

CH

CH3

CH

CH2

CH3

5

CH3

CH2 6

4

7

8

CH3

2

CH2

1

CH3

CH2 CH3

CH3

CH

C

CH2

6

5

4

3

Caso 3 cadena principal= deceno sustituyentes=etilos y metilos numeración=izquierda nominación= 6,6-dietil-3,4-dimetil-4-deceno

CH

CH3

CH2

CH2

1

1 2 3 4 5 Caso 4 cadena principal= decano CH3 CH CH2 CH CH2 sustituyentes=isopropil,secbutil y metil numeración=izquierda CH3 CH2 CH CH3 nominación= 6-isopropil-2-metil-4-secbutildecano

8

CH2

C

CH3

2

7

CH2

6

7

CH

CH2

9

10

CH2

CH3

CH3

CH3

8

9

10

CH2

CH2

CH3

CH CH3 CH3 7

1

Caso 5 cadena principal= deceno sustituyentes=terbutil y metilos numeración=izquierda nominación= 2,7,9-trimetil-5-terbutil-3-deceno

CH3

2

CH

4

3

CH

CH3 5

CH

CH3

6

8

CH

CH

CH2

9

10

CH

CH3

CH3

CH2

CH3 C CH3 CH3

CPECH

Preuniversitarios

Caso 6 cadena principal= nonino sustituyentes=etil y secbutil numeración=izquierda nominación= 6-etil-4-secbutil-1-nonino

174

CH3

CH2

CH 6

CH 1

C 2

CH3

CH2 3

CH 4

CH2

CH2

CH2

CH3

7

8

9

5

CH2 CH CH3

Se observa que en todos los casos, la cadena principal es la fila de carbonos más larga posible y la numeración se ha realizado dejando a los sustituyentes con el número de carbono menor. En casos como el 5 y el 6, donde hay doble y triple enlace, la numeración se hace en el sentido en que dichos enlaces quedan con el número menor.

Química orgánica

Capítulo 7

4

3

2

CH3

CH2

CH

cadena principal= butano sustituyentes=metilo numeración=derecha nominación= 2-metilbutano

1

CH3

CH3

1

2

3

4

CH3

CH2

CH2

CH

5

CH2

6

7

CH2

CH3

cadena principal= heptano sustituyentes=etilo numeración=derecha o izquierda nominación= 4-etilheptano

CH2 CH3 CH3

1

2

CH3

C

3

cadena principal= butano sustituyentes=metilos numeración=izquierda nominación= 2,2-dimetilbutano

4

CH2

CH3

CH3

CH3

1

2

3

4

5

CH3

CH2

CH2

CH

CH

6

CH2

7

CH2

8

9

10

CH2

CH2

CH3

cadena principal= decano sustituyentes=etilo y metilo numeración=izquierda nominación= 4-etil-5 metildecano

CH2 CH3

5

4

CH3

CH

CH3

3

2

CH2

C

CH3

cadena principal= pentano sustituyentes=metilos numeración=derecha nominación= 2,2,4-trimetilpentano

1

CH3

CH3

1

2

3

CH3

CH

CH2

CH2 CH2 CH3

4

CH

5

CH2

6

7

8

CH2

CH2

CH3

cadena principal= octano sustituyentes=etilo y propilo numeración=izquierda nominación= 2-etil-4-propiloctano

CH2 CH3

4.1.3 Propiedades y usos de los hidrocarburos alifáticos Los hidrocarburos alifáticos son compuestos bastante inertes, por lo que se los usa como solventes. Poseen la propiedad de ser sensibles a la oxidación en condiciones extremas reaccionando con oxígeno según un proceso de combustión y liberando gran cantidad de calor. Ejemplo CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + E Son compuestos que pueden ser gases, líquidos y también sólidos. Rara vez presentan color, y si lo hacen, éste será alguna variedad del blanco.

CPECH

Los hidrocarburos más usados en la vida diaria son, por ejemplo, el propano y el butano, que en mezcla son usados como combustibles, en estado líquido o gaseoso, conocido como gas licuado. El combustible de los automóviles está constituido por una mezcla de hidrocarburos diferentes de 7 a 9 átomos de carbono; el kerosene (parafina) es otra mezcla combustible, pero sus constituyentes poseen de 9 a 13 átomos de carbono; la esperma de la vela, las grasas (se refiere a las grasas sintéticas) y las ceras son mezclas de carburos saturados y no saturados superiores.

Preuniversitarios

175

7

capítulo

Tabla con las propiedades de los hidrocarburos Alcanos

Alquenos y Alquinos

ESTADO FISICO: Gaseoso

1 a 4 átomos de C

2 a 3 átomo de C

Líquidos

5 a 17 átomos de C

4 a 8 átomos de C

Sólidos

18 y más átomos de C

9 y más átomo de C

Ptos de Ebullición y Fusión

Bajos debido a la falta de polaridad del enlace C-C y H-H

Densidad

Menor a la del agua

[OH–]

neutra

7

[H+]

=

[OH–]

básica

7.1 a 14

<

[OH–]

+

+

[H ]

Capítulo 8

Ácido base

Vemos que tanto la zona ácida como la básica tienen un rango y que la zona neutra tiene un solo valor. Por lo tanto, cada ácido presentado: ácido fuerte y débil y cada base presentada: base fuerte y débil, tendrán su pH característico y la forma de calcularlo varía para cada caso. za r ve l , ce ido óvi ate a m m n n o líqu ó a to ut ana ón um de b s n a de lim m h , a o o a u u j o i a h rno ic os an o a, in od jug de ést idri gre esi -ho jug es um , or ja, ría r pia tica san ah od via agn o dom pia-v cal ran ate trico, a t v , u m a i b l m a i a l l m l s n ur e e sa on e ac o lim a de ás e en de caú ido ad ad ap d arb od og agr oní he he, do líqu soda bic lec agu lec jug agu agu agu vin am líqui jug áci

pH disolución 0

1

2

3

4

5

6

7

8

10

9

Aumento de acidez

11

12

13

14

Aumento de basicidad

[OH –]

10-14

10-13

10-12 10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

[H+]

1

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10-13

10-14

-1

-2

10

-3

-4

-5

-6

-7

-8

-9

-10

-11

-12

Se observa que si la concentración de H+ va disminuyendo, la de OH– va aumentando. El producto iónico del agua, por ser constante, no puede variar. La zona neutra corresponde a un solo punto, las otras zonas tienen un rango. Por lo tanto, no será difícil establecer una concentración en función de la otra.

3.1 Relación entre pH y pOH Esta relación surge del producto iónico del agua, el cual relaciona la concentración del ión hidrógeno y el ión hidroxilo y se expresa:

Kw = [H+] ⋅ [OH-] = 1,0 x 10-14

Al aplicar logaritmo a esta expresión se obtiene:

Kw = [H+] ⋅ [OH-]

/ ⋅ log



log Kw = log [H ] + log [OH-] +

Como sabemos que: log Kw = - pKw

log [H+] = - pH



log [OH-] = - pOH

reemplazando y multiplicando por -1, se obtiene

14 = pH + pOH

Preuniversitarios



La sangre mantiene aproximadamente constante el valor de 7,4 de su pH, debido a la presencia de sistemas amortiguadores. El más conocidos de ellos es el formado por H2CO3 (ácido carbónico) y HCO3- (ión bicarbonato).

CPECH

pKw = pH + pOH Por último, tenemos

Sabías que...

207

capítulo

8

Con esta expresión podemos relacionar al pOH y las zonas ácidas, neutras y básicas.

El nombre de neutralización no implica que la disolución obtenida sea estrictamente neutra, es decir, de pH = 7, ya que el pH depende de la posible hidrólisis de la sal formada en la reacción. El procedimiento empleado se denomina también volumetría de neutralización, ya que se reduce a medir el volumen de base necesario para la neutralización del ácido o viceversa.

Zona

pOH

ácida

14 a 7.1

neutra

7

básica

0 a 6.9

y relacionando pH y pOH se logra: pH

pOH

pKw

0

14

14

1

13

14

3

11

14

5

9

14

7

7

14

9

5

14

11

3

14

14

0

14

A medida que aumenta el pH, el pOH va disminuyendo y viceversa. Sin embargo, siempre la suma de ambos debe ser 14.

3.2 Indicadores Los indicadores son compuestos orgánicos principalmente, que tienen un rango determinado de pH a medir. Manifiestan su medición por colores y cuando son agregados a una disolución adquieren tal tonalidad, por lo que se deduce que dicha disolución tiene tal valor de pH. Mientras el pH del compuesto sea ácido, el indicador tendrá un color determinado y si pasa a pH básico manifestará un cambio de coloración. Los indicadores son muy útiles en la titulación de ácido y bases (neutralización).

CPECH

Preuniversitarios

208

Fenolftaleína Incoloro-fucsia

⇐

⇐

Indicador papel tornasol Azul-rojo

Capítulo 8

Ácido base

3.3 Disoluciones buffer Estas disoluciones también son conocidas como amortiguadoras, reguladoras y tampones. Todas indican la misma cualidad que es la de mantener el pH en un cierto rango, el cual no se ve modificado al variar algún factor de la disolución. La sangre es un ejemplo de disolución buffer, su pH está en el rango de 7 a 7.4. En las disoluciones buffer hay un equilibrio entre el componente ácido y básico.

3.4 Neutralización La neutralización es una reacción entre un ácido y una base donde se logra equiparar la fuerza de ambos y el pH de la disolución es neutro. Supongamos el siguiente suceso, sea el HCl y el NaOH, ambos de concentración 0.1 mol/L. En la bureta coloquemos 20 mL de base y en el matraz erlenmeyer 10 mL de ácido. Empecemos a agregar al matraz un volumen de base y midamos el pH cada cierto volumen. Resumamos los resultados en la siguiente tabla: V base / mL

[H+] / mol L-1

pH

0

0.1

1

2

0.0667

1.18

4

0.0429

1.37

6

0.0250

1.6

8

0.0111

2

9.8

0.001

3

9.999

5.01x10 -6

5.3

10

1.0x10 -7

7

14

6.3x10 -13

12.2

20

3.0x10 -13

12.52

Al realizar las observaciones respectivas, se observa que a medida que el volumen de base agregado va aumentando también lo hace el pH. Cuando el volumen de base fue igual al del ácido contenido en el matraz, el pH resultó ser neutro y, finalmente, cuando el volumen de base es mayor que el del ácido, se acentuó el carácter básico de la disolución. Se puede notar que cuando el volumen de base agregado es cercano a 10 mL, el pH empieza a subir rápidamente. Se puede pensar que este hecho es proporcional, pero no lo es, dado que al graficar los valores se obtiene una curva logarítmica y no una recta.

Preuniversitarios

El pH después del punto neutro se calculó de la siguiente forma: se volvió al supuesto de la suma de los volúmenes y, en este caso, se establece la concentración de hidróxido y los moles en juego son los de base agregados menos los moles de ácido dado. Por ello es que el pH debe dar básico después del punto neutro. Finalmente, se puede calcular el pH de zona neutra sabiendo las concentraciones en juego y los volúmenes respectivos con el supuesto de que los volúmenes se suman.

CPECH

El pH antes del punto neutro o de equivalencia, se calculó de la siguiente forma: se hizo el supuesto de que los volúmenes son aditivos debido a que las densidades de las soluciones son iguales. Por lo tanto, el volumen final es la suma del volumen de base agregado más el volumen de ácido dado. Los moles en juego se calcularon restando a los moles de ácido los moles de base agregado y luego se aplicó la definición de pH.

209

capítulo

8

Sabías que...

Tratamiento de la acidez estomacal Los antiácidos Los trastornos gastrointestinales son en la actualidad uno de los problemas que más afectan a las personas. Las comidas rápidas y la tensión producida por la agitación con la que se vive, influyen en la aparición de enfermedades como la hiperacidez y las úlceras gástricas. Las células que revisten el estómago segregan el fluido llamado jugo gástrico que tiene un alto contenido de ácido clorhídrico (HCl). La concentración de este ácido en el jugo gástrico es de 0,03 mol/L aproximadamente, lo que corresponde a un pH de 1,52. El HCl se produce cuando los alimentos llegan al estómago, y el rol que cumple en la digestión es clave. Sin embargo, cuando una persona ha comido en exceso o está sometida a tensiones emocionales, las células del estómago secretan una mayor cantidad de este ácido, el medio estomacal se torna más ácido y surgen los conocidos malestares de la acidez.

CPECH

Preuniversitarios

Para combatir estos síntomas existen ciertos fármacos llamados antiácidos, que contienen bases capaces de neutralizar el exceso del ácido clorhídrico en el estómago. La eficacia de los antiácidos se mide por la capacidad de neutralizar sólo el exceso de la acidez, ya que si el pH del medio estomacal aumenta a valores mayores que 4, se podría dificultar la acción de enzimas digestivas, como la pepsina, que son fundamentales para la degradación de los alimentos. Por lo tanto, el contenido de sustancias básicas en los antiácidos, no debe ser mayor a la cantidad estequiométrica necesaria para la neutralización del exceso de ácido clorhídrico solamente. Los antiácidos, que se expenden en el comercio contienen, como máximo, 2 g de bicarbonato de sodio o 1 g de carbonato de calcio. Las reacciones de neutralización se representan por las ecuaciones (1) y (2). Uno de los productos de estas reacciones es el gas dióxido de carbono, que en el estómago puede aumentar la presión de los gases y ocasionalmente producir eructos. Los antiácidos que contienen bases como el hidróxido de magnesio o el hidróxido de aluminio, no generan dióxido de carbono en el proceso de neutralización. Otra condición que debe cumplir un antiácido es no alterar la composición del plasma sanguíneo. Una dosis elevada de bicarbonato de sodio puede producir el aumento del pH sanguíneo, causando la afección conocida como alcalosis metabólica. Los antiácidos pueden tener efectos colaterales, por ejemplo un exceso de hidróxido de magnesio puede ocasionar diarrea; en cambio, el de aluminio produce estreñimiento.

210

La persona con hipertensión debe tener cuidado con el bicarbonato de sodio, ya que estos pacientes deben controlar su consumo de sodio. Para quienes sufren osteoporosis, degeneración de los huesos causada por la pérdida de calcio, es recomendable que ingieran antiácidos que contengan calcio, como el carbonato de calcio.

(1) NaHCO3(ac) + HCl(ac) (2) CaCO3(s) + 2HCl(ac)

NaCl(ac) + H2O() + CO2() CaCl2(ac) + H2O() + CO2(g)

CPECH

Preuniversitarios

Síntesis de contenidos

Base

Sustancias Buffer

ARRHENIUS

Neutralización

Escala de pH

Teorías

BRÖNSTED Y LOWRY

Indicadores

Ácido

LEWIS

Capítulo 8

Ácido base

211

capítulo

8

Actividades 1. Indique si estas sustancias son ácidas o bases según Arrhenius: HIO3

: _____________________________________________________________________________



: _____________________________________________________________________________

Fe (OH)3

2. Complete y equilibre las siguientes reacciones de neutralización.

a. Ca (OH)2 +  2HI

→ _____________________________

+

_____________________________

→ _____________________________

+

_____________________________



CPECH

Preuniversitarios

b. H2SO4 + 2Na OH

212

Capítulo 8

Ácido base

Ejercicios Ejercicios resueltos 1. El HCl y CH3COOH tienen propiedades ácidas por la presencia del  en su estructura. A) ión H+. B) Anión H-. C) grupo hidroxilo D) radical halogénico. E) electrón. Alternativa: A. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: Tanto los ácidos inorgánicos (HCl) como los orgánicos (CH3 COOH) se caracterizan por tener protones (H+) en su estructura, los cuales son los responsables de conferirles el carácter ácido.

2. Al neutralizar un mol de HCl con un mol de NaOH la solución resultante presenta:

I. II. III.

[ H+ ] = 10-7 [ H+ ] = [ OH-] pH = 7



A) B) C) D) E)

Sólo I Sólo II Sólo I y II Sólo I y III I, II y III

A) B) C) D) E)

0,1 1 1,1 10 11

Alternativa: B. Habilidad: Aplicación. Defensa: El pH de una sustancia se puede calcular conociendo la concentración molar de los iones H+ que cede al medio, la definición matemática del pH = -log [H+], lo que resulta: pH = - log 0,1 pH = - log 10-1 pH = 1, la sustancia es de naturaleza ácida.

4. El Cu(OH)2 y el HCl, al combinarse, forman:

I. H2O II. Cu(ClO3)2 III. CuCl2 IV. CuCl



A) B) C) D) E)

Sólo I y II Sólo I y III Sólo I y IV Sólo II y III Sólo II y IV

Cu(OH)2 +2HCl → CuCl2 + 2H2O

Preuniversitarios

Alternativa: B. Habilidad: Comprensión. Defensa: Los compuestos que se mezclan corresponden a una base (Cu(OH)2) y a un ácido (HCl), por lo tanto, la reacción será de neutralización generando como productos una sal y agua.

CPECH

Alternativa: E. Habilidad: Comprensión. Defensa: La neutralización implica equiparar las fuerzas entre ácidos y bases, por lo tanto, cuando se produce esta reacción, se tiene que la concentración de protones es igual a la de los iones hidroxilos, [H+]=[OH- ]=10-7, obteniéndose así, un pH neutro (pH=7).

3. El pH de una solución de HCl 0,1 M es:

213

capítulo

8

Ejercicios

5. El pH 8,2 es considerado un pH:

3. Una solución neutra es aquélla en que

A) Ligeramente ácido. B) Básico fuerte. C) Neutro. D) Fuertemente ácido. E) Ligeramente alcalino.



I. [H+] = [OH–] II. pH > 7 III. pH + pOH = 7

Alternativa: E. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: La escala de pH presenta el rango de 0 a 14, siendo el pH 7 la neutralidad absoluta, además, se distinguen tres zona; una ácida (entre 0 y 6,7), una neutra (entre 6,8 y 7,2) y una básica o alcalina (entre 7,3 y 14). De acuerdo con esto, un valor de pH = 8,2 se considera ligeramente alcalino.



A) B) C) D) E)

Ejercicios propuestos



A) CH3 COO–

1. El pH de una solución que posee una concentración de n iones de hidrógeno, como concentración de iones libres, es:



B) HSO4–



C) Pb+2



D) HI

A) pH = 10n B) pH = 100n C) pH = - log n D) pH = en E) pH = ln n



E) KOH

5. La base conjugada del ácido H2PO4 – es:

Comprensión Reconocimiento

A

3

Comprensión

B

2

Aplicación

C

1

Alternativa

Número

Habilidad

Preuniversitarios

Comprensión

E

CPECH

Respuestas correctas

B

A mayor pH mayor acidez. A menor pH mayor acidez. A menor pH mayor alcalinidad. A mayor pH menor alcalinidad. Un pH ácido presenta mayor concentración de iones hidroxilos que un pH básico.

C) OH – D) PO4–3 E) HPO4–2

4

A) B) C) D) E)

A) H2O B) H3PO4

5

214



Solo I Solo I y II Solo I y III Solo II y III I, II y III

4. ¿Cuál de las siguientes sustancias podría comportarse como anfótero según la teoría de Lowry y Brönsted?

2. Indique la alternativa correcta:

Es (son) correcta (s)

Capítulo 9

MATERIALES DE USO COTIDIANO Aprendizajes Esperados

Conocer los distintos procesos de elaboración de materias primas. Reconocer los avances realizados en las diversas industrias. Distinguir los compuestos principales de los productos obtenidos.

capítulo

9

La mayoría de los objetos que usamos en forma cotidiana, se han formado a partir de elementos y compuestos químicos que se han unido de manera especial para constituir todos los productos manufacturados que conocemos en la actualidad. De este modo, la “ciencia y tecnología de los materiales” se ha encargado de estudiar la forma de adaptar y fabricar materiales para responder a las necesidades de la tecnología moderna.

Materiales de uso cotidiano

1. Materiales La ciencia y tecnología de los materiales se ha encargado de estudiar la forma de adaptar y fabricar materiales, tanto metálicos como no metálicos, para responder a las necesidades de la tecnología moderna. Empleando diferentes técnicas de laboratorio, los científicos han hallado nuevas formas de utilizar el plástico, la cerámica y otros no metales en aplicaciones antes reservadas exclusivamente a los metales. Después de descubrir que ciertos materiales no metálicos, como el silicio, podían conducir la electricidad, los investigadores diseñaron acuciosos métodos para la fabricación de minúsculos circuitos integrados en un pequeño chip de silicio. Esto hizo posible la miniaturización de los componentes de aparatos electrónicos tales como las computadoras. A finales de la década de 1980, la ciencia de los materiales tomó un nuevo auge con el descubrimiento de materiales cerámicos que presentaban la capacidad de ser superconductores a temperaturas más elevadas que los metales y que podrían tener innovadoras aplicaciones, como en el desarrollo de los trenes de levitación magnética o las computadoras ultrarrápidas. Aunque los últimos avances de la ciencia de materiales se han centrado sobre todo en las propiedades eléctricas, las propiedades mecánicas como la tensión, la compresión, la torsión, la flexión, siguen teniendo una gran importancia puesto que los materiales sólidos sometidos a dichas fuerzas pueden sufrir una serie de deformaciones permanentes y graduales (plastodeformación y fatiga) hasta llegar a la fractura, y es esto, precisamente lo que se pretende evitar. A continuación, mencionaremos los materiales de mayor uso en nuestra sociedad.

1.1 Cerámicos a. Arcilla

CPECH

Preuniversitarios

Material compuesto por un grupo de minerales formados por la meteorización (proceso de desintegración física y química ) de rocas feldespáticas tales como el granito.

216

El feldespato, constituye un extenso grupo de minerales compuesto por aluminosilicatos de potasio (KAlSi3O8), de sodio (NaAlSi3O8), de calcio (CaAl2Si2O8) e inclusive, de bario, que se encuentran en forma de cristales aislados o en masas y que son el principal constituyente de la mayoría de las rocas ígneas tales como el granito, el gneis, el basalto y otras rocas cristalinas. En estos materiales, el grano es de tamaño microscópico y con forma de escamas, lo que hace que la superficie de agregación sea mucho mayor que su espesor, permitiendo un gran almacenamiento de agua por adherencia, otorgándole plasticidad a la arcilla y provocando la hinchazón de algunas variedades.

Capítulo 9

Materiales de uso cotidiano

La arcilla común es una mezcla de caolín y de polvo fino de algunos minerales feldespáticos anhidros (sin agua) que son capaces de ser moldeados cuando se humedecen con agua. Las variedades más comunes de este material son: la arcilla china o caolín; la arcilla de pipa, similar al caolín pero con un contenido mayor de sílice; la arcilla de alfarería; la arcilla de escultura o plástica; la arcilla para ladrillos, una mezcla de arcilla y arena con pequeñas cantidades de hierro; y la arcilla refractaria, con pequeño o nulo contenido de caliza o de hierro. En general, las arcillas plásticas se usan en todos los tipos de alfarería, en la fabricación de ladrillos, de baldosas, de azulejos, de ladrillos refractarios y de otros productos más finos como la porcelana.

b. Azulejo

Sabías que... El “caolín” o arcilla blanca se extrajo por primera vez en una colina llamada Kaoliang, China. Llegó a Europa a principios del siglo XVIII. El caolín puro se utiliza en la manufactura de porcelana fina; mientras que las variedades impuras se usan para fabricar vasijas, gres y ladrillos, como soporte para pigmentos y en la fabricación de papel. Su principal constituyente es la caolinita, un silicato de aluminio hidratado, Al2Si2O5(OH)4, formado por la descomposición de otros silicatos de aluminio, en especial feldespato.

Pieza delgada de arcilla vidriada (mediante aplicación de minerales vitrificantes como sílice o boro) o sin vidriar que se utiliza para cubrir o decorar suelos y paredes. Los azulejos modernos se pueden fabricar con arcilla de grano fino prensada a máquina; o mediante el vaciado de la barbotina, (arcilla líquida) dentro de un molde poroso. Antes de la cocción, puede añadirse barniz y hacerse una decoración pintada con óxidos metálicos. Dependiendo del tipo de arcilla y de la temperatura de cocción, los azulejos pueden variar desde los de loza porosa hasta los de porcelana vidriada.

La naturaleza y el tipo de la cerámica están determinados por la composición de la arcilla, el método de su preparación, la temperatura a la cual se ha cocido y los barnices que se han utilizado. Se distingue de la porcelana por ser porosa y opaca. Como se cuece a temperatura más baja que ésta, no llega a vitrificar.

Preuniversitarios

Material compuesto por arcilla endurecida mediante cocimiento en hornos.

CPECH

c. Cerámica

217

capítulo

9

d. Loza La loza es una cerámica porosa cocida, por lo general, a la temperatura más baja del horno (900-1.200 ºC). Dependiendo del tipo de arcilla utilizada, al cocerse adquiere color amarillo, rojo, pardo o negro. Para hacerla resistente al agua, es necesario barnizarla. En general, los óxidos metálicos son los que le confieren el color a los barnices. De este modo, el cobre hace que el barniz de plomo adquiera una tonalidad verdosa, y el barniz alcalino una tonalidad turquesa; un fuego bajo hace que el cobre se torne rojo. El hierro puede dar tonalidad amarilla, parda, gris verdosa o, azul y, mezclado con otros minerales, rojo. Como se puede apreciar, los efectos específicos de cada barniz sobre la pasta de arcilla dependen tanto de su composición como del control de la temperatura del horno. Bajo este punto de vista, el proceso de cocción de la arcilla requiere de un control muy riguroso para lograr el efecto deseado en la obtención de loza, ya que pueden conseguirse efectos diferentes debido a un aumento de la cantidad de oxígeno en la combustión (con la adecuada ventilación para producir grandes llamas) o por la reducción del oxígeno con la obstrucción parcial de la entrada de aire en el horno. Una arcilla rica en hierro, por ejemplo, se volverá de color rojo si se cuece con un fuego rico en oxígeno, mientras que en un horno pobre en oxígeno se volverá de color gris o negro, pues el óxido rojo de hierro de la arcilla (Fe2O3) se convierte en óxido negro de hierro (FeO) al desprenderse una molécula de oxígeno de la arcilla para compensar la falta de éste en el horno.

e. Cemento Sustancia de polvo fino capaz de formar una pasta blanda al mezclarse con agua y que se endurece espontáneamente en contacto con el aire.

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Tiene diversas aplicaciones, como por ejemplo, la obtención de hormigón por la unión de arena y grava con cemento Portland (es el más usual). Este material es utilizado para pegar superficies de distintos materiales o para revestir ciertas superficies a fin de protegerlas de la acción de sustancias químicas.

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La clasificación de un cemento se puede hacer según: el nombre del componente principal, como por ejemplo, el cemento calcáreo que contiene óxido de silicio, o como el cemento epóxico, que contiene resinas epoxídicas; o bien, según la principal característica que posea, como por ejemplo, el cemento hidráulico o rápido, o los cementos refractantes que son capaces de resistir altas temperaturas Los cementos utilizados en la construcción también se pueden denominar según su origen, como es el caso del cemento romano, o según su parecido con otros materiales, como el cemento Portland.

Capítulo 9

Materiales de uso cotidiano

Los cementos Portland consisten en mezclas de silicato tricálcico (3CaO·SiO2), aluminato tricálcico (3CaO·Al2O3) y silicato dicálcico (2CaO·SiO2) en diversas proporciones, junto con pequeñas cantidades de compuestos de hierro y magnesio. Este tipo de cemento se fabrica a partir de piedra caliza, arcillas, pizarras o escorias de altos hornos que contienen óxido de aluminio y óxido de silicio, en proporciones aproximadas de un 60% de cal, 19% de óxido de silicio, 8% de óxido de aluminio, 5% de hierro, 5% de óxido de magnesio y 3% de trióxido de azufre. En general, las rocas cementosas presentan dentro de su composición estos elementos en las proporciones adecuadas, por lo tanto, se puede obtener cemento a partir de ellas sin necesidad de emplear otras materias primas. Para la fabricación del cemento, se trituran las materias primas mezcladas y se calientan hasta que se funden, formando el “clínquer”, que a su vez se tritura hasta lograr un polvo fino. En los hornos modernos, se pueden obtener de 27 a 30 kg de cemento por cada 45 kg de materia prima.

Sabías que... El término cemento Portland se empleó por primera vez en 1824 por el fabricante inglés de cemento Joseph Aspdin, debido a su parecido con la piedra de Portland, que era muy utilizada para la construcción en Inglaterra. El primer cemento Portland moderno, hecho de piedra caliza y arcillas, fue producido en Gran Bretaña en 1845.

El cemento Portland se emplea hoy en la mayoría de las estructuras de hormigón. En general, si se desea que el cemento adquiera otras características de acuerdo al uso que se le va a dar, se puede variar la cantidad de sus componentes o se pueden agregar otros. Así por ejemplo, para retardar el proceso de endurecimiento, se suele añadir yeso. En estructuras construidas bajo el mar, se emplean normalmente cementos con un contenido de hasta un 5% de óxido de hierro, y cuando se precisa resistencia a la acción de aguas ricas en sulfatos se utilizan cementos con una composición de hasta un 40% de óxido de aluminio. Actualmente, la mayor producción de cemento se genera en los países industrializados, aunque también es importante la industria cementera en los países menos desarrollados. La antigua Unión Soviética, China, Japón y Estados Unidos son los mayores productores, pero Alemania, Francia, Italia, España y Brasil son también productores importantes.

f. Vidrio El vidrio se define como una sustancia amorfa donde las unidades moleculares tienen suficiente cohesión para presentar rigidez aunque éstas se encuentran en un estado vítreo.

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El vidrio se fabrica fundiendo sílice (SiO2) a altas temperaturas junto con ciertos minerales que contienen boratos y/o fosfatos. En la naturaleza, se encuentra formando parte de la obsidiana, que es un material volcánico.

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Materiales de uso cotidiano

Su principal característica es que puede enfriarse hasta su solidificación, sin que se produzca la cristalización de sus componentes; y luego, mediante calentamiento, puede volver a su forma líquida. El vidrio fundido es maleable y se le puede dar forma deseada mediante diversas técnicas. En general, suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los ingredientes empleados en su fabricación. En la mayoría de los vidrios, la sílice se combina con otras materias primas como carbonato de sodio o potasio, carbonato de calcio y magnesio, plomo o bórax, en distintas proporciones, para mejorar sus propiedades físicas. Así, tenemos vidrio sodocálcico, vidrio al plomo, vidrio de borosilicato, etc. Gracias a que es un material que sufre poca contracción y dilatación frente a los cambios de temperatura, es adecuado para la fabricación de aparatos de laboratorio y objetos sometidos a grandes choques térmicos. Por otra parte, como es un mal conductor del calor y la electricidad, resulta muy útil para el aislamiento térmico y eléctrico. Dentro de la amplia gama de aplicaciones del vidrio, tenemos: el vidrio de ventana, el vidrio de placa, botellas y recipientes, el vidrio óptico, el vidrio fotosensible o fotocromático, la industria de la vitrocerámica, fibras de vidrio, espuma de vidrio, vidrio láser, etc.

1.2 Plásticos

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Sabías que...

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El inventor estadounidense Wesley Hyatt, desarrolló un método para procesar piroxilina con alcanfor y una cantidad mínima de alcohol, obteniendo un producto patentado con el nombre de celuloide que tuvo un notable éxito comercial ya que con él, se podía fabricar un sinnúmero de objetos que variaban desde cepillos dentales hasta cuellos de camisa.

a. Tipos de plásticos Los plásticos son polímeros orgánicos que tienen la capacidad de deformarse hasta conseguir una forma deseada mediante ciertos procesos como la extrusión, el moldeo o el hilado. Las moléculas de estos polímeros pueden ser de origen natural, como por ejemplo la celulosa, la cera y el caucho natural (hule) o sintéticas, como el polietileno y el nylon. Las cadenas de estas enormes moléculas pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas, dependiendo del tipo de plástico. Las moléculas lineales y ramificadas son termoplásticas (se ablandan con el calor), mientras que las entrecruzadas son termoestables (no se ablandan con el calor). En general, los plásticos se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad, lo que les confiere excelentes propiedades para usarlos como aislantes térmicos y eléctricos, así como también, una gran resistencia a la acción de ácidos, álcalis y otros disolventes.

Capítulo 9

Materiales de uso cotidiano

Durante las décadas posteriores a la obtención de celuloide, aparecieron otros tipos de plásticos tales como la baquelita, el rayón (material polimérico fabricado a partir de la celulosa, nitrato de celulosa o etanoato de celulosa) y el policloruro de vinilo (PVC). Uno de los plásticos más populares desarrollados durante este periodo, es el metacrilato de metilo. Debido a sus excelentes propiedades ópticas, este material puede utilizarse para la manufactura de gafas y lentes, o en el alumbrado público o publicitario. Las resinas de poliestireno, comercializadas alrededor de 1937, se caracterizan por su alta resistencia a la alteración química y mecánica a bajas temperaturas y por su escasa absorción de agua. Estas propiedades hacen del poliestireno un material adecuado para aislamiento y accesorios utilizados a bajas temperaturas, como en instalaciones de refrigeración y en aeronaves destinadas a los vuelos a gran altura. El PTFE (politetrafluoretileno), sintetizado por primera vez en 1938, se comercializó con el nombre de teflón en 1950. Otro descubrimiento fundamental en la década de 1930 fue la síntesis del nylon. Durante la II Guerra Mundial, la industria de los plásticos demostró ser una fuente inagotable de sustitutos para materiales tales como el látex. De este modo, el nylon se convirtió en una de las fuentes principales de fibras textiles. Los poliésteres se utilizaron en la fabricación de blindajes y otros materiales bélicos, y se produjeron grandes cantidades de varios tipos de caucho sintético. Durante el periodo de la posguerra, se mantuvo el elevado ritmo de los descubrimientos y desarrollo en la industria de los plásticos. Tuvieron especial interés los avances realizados en polímeros tales como policarbonatos, acetatos y poliamidas. De este modo, se utilizaron materiales sintéticos en lugar de los metales para fabricar maquinarias, cascos de seguridad, aparatos sometidos a altas temperaturas y muchos otros productos utilizados en lugares con condiciones ambientales extremas. En 1953, el químico alemán Karl Ziegler desarrolló el polietileno, y en 1954 el italiano Giulio Natta desarrolló el polipropileno, que son los dos plásticos más utilizados en la actualidad.

b. Clasificación de plásticos según el proceso de polimerización • Polímeros de condensación: Estas reacciones producen polímeros de diferentes longitudes. Algunos ejemplos de este tipo de polímeros son el nylon, los poliuretanos y los poliésteres.

Como sabemos, la naturaleza química de un plástico depende del monómero, unidad repetitiva, que compone la cadena del polímero. Por ejemplo, las poliolefinas están compuestas por monómeros de olefinas, que son hidrocarburos de cadena abierta con al menos un doble enlace. El polietileno es una poliolefina cuyo monómero es el etileno.



Otros tipos de polímeros son los acrílicos (como el polimetacrilato), los poliestirenos, los halogenuros de vinilo (como el policloruro de vinilo), los poliésteres, los poliuretanos, las poliamidas (como el nylon), los poliéteres, los acetatos y las resinas fenólicas, celulósicas o amínicas.

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• Polímeros de adición: Estas reacciones producen polímeros de longitudes específicas. Algunos polímeros típicos de adición son el polietileno, el polipropileno, el policloruro de vinilo y el poliestireno.

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En general, la fabricación de los plásticos implica cuatro pasos básicos: obtención de las materias primas, síntesis del polímero básico, obtención del polímero como un producto utilizable industrialmente y moldeo o deformación del plástico hasta su forma definitiva.



En cuanto a las materias primas utilizadas, debemos mencionar que en un comienzo la mayoría de los plásticos se fabricaban a partir de resinas de origen vegetal, como la celulosa (del algodón), el furfural (de la cáscara de la avena), aceites de semillas y derivados del almidón o del carbón, la caseína de la leche, etc.



Sin embargo, la mayoría de los plásticos que se elaboran en la actualidad, utilizan como materias primas cualquiera de los subproductos del petróleo debido a su bajo costo y alta versatilidad. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón.



De acuerdo al uso que se le dará al material plástico, éste deberá presentar alguna propiedad determinada. Para ello, se utilizan los aditivos químicos. Por ejemplo, los antioxidantes protegen al polímero de degradaciones químicas causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizantes lo protegen de la intemperie. Los plastificantes producen un polímero más flexible, los lubricantes reducen la fricción y los pigmentos colorean los plásticos. Algunas sustancias ignífugas y antiestáticas también se utilizan como aditivos.



En consecuencia, las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación.

c. Aplicación de los plásticos Los plásticos tienen cada vez más aplicaciones en los sectores industriales y de consumo. Por ejemplo, el polietileno de baja densidad, en forma de rollos de plástico transparente, se comercializa regularmente para ser utilizados como envoltorios. El polietileno de alta densidad, se utiliza para películas plásticas más gruesas, como las usadas en las bolsas de basura.

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Otros productos empleados frecuentemente para el empaquetado son: el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el policloruro de vinilideno y el polipropileno. Especialmente este último, ya que gracias a sus propiedades, otorga una muy buena barrera contra el vapor de agua, por lo que tiene aplicaciones domésticas en forma de películas plásticas y, en forma de fibra, se utiliza para fabricar alfombras y sogas.

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La construcción es otro de los sectores que más utiliza todo tipo de materiales plásticos, incluidos los de empaquetado, descritos anteriormente. El polietileno de alta densidad se usa en tuberías, del mismo modo que el PVC. Éste, además se emplea en forma de láminas como material de construcción. Muchos plásticos se utilizan para aislar cables e hilos, y el poliestireno aplicado en forma de espuma, sirve para aislar paredes y techos. También se hacen marcos para puertas, ventanas y techos, molduras y otros artículos.

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Materiales de uso cotidiano

Además de la construcción, otros sectores industriales dependen también de estos materiales en la actualidad. Por ejemplo, ciertos plásticos muy resistentes se utilizan para fabricar piezas de motores, colectores de toma de aire, tubos de combustible, botes de emisión, bombas de combustible, carcasas para equipos de oficina, dispositivos electrónicos y herramientas. La mayor parte de las carrocerías de automóviles están hechas de plásticos reforzados con fibra de vidrio. Entre las aplicaciones de los materiales plásticos en productos de consumo, se encuentran los juguetes, las maletas y los artículos deportivos. Debido a que los plásticos son relativamente inertes, los productos terminados no representan ningún peligro para el fabricante o el usuario. Sin embargo, se ha demostrado que algunos monómeros o ciertos solventes (como el benceno) utilizados en la fabricación de estos materiales pueden producir cáncer. En cuanto a los inconvenientes que ocasiona la industria del plástico, estos problemas son similares a los de la industria química en general, es decir, la alta contaminación que se provoca. Como se sabe, la mayoría de los plásticos sintéticos no pueden ser degradados por el entorno porque, a diferencia de las fibras naturales, o inclusive del metal y del vidrio, no se oxidan ni se descomponen con el tiempo. Así, a pesar de haberse desarrollado algunos plásticos degradables, ninguno ha demostrado ser viable para las condiciones requeridas en la mayoría de los vertederos de basuras. En definitiva, la eliminación de los plásticos representa un problema medioambiental. El método más práctico para solucionar este problema es el reciclaje, que se utiliza, por ejemplo, con las botellas de bebidas gaseosas fabricadas con tereftalato de polietileno. En este caso, el reciclaje es un proceso bastante sencillo.

Al calentarse, se vuelve flexible y maleable, y puede moldearse en numerosas formas. Una vez frio y seco, el material se hace duro. El celuloide es transparente e incoloro, y la pasta puede colorearse, enrollarse y moldearse en formas determinadas.



Dentro de la grandes ventajas que presenta este material, destacan un alto brillo, bajo costo y alta durabilidad, ya que no se tuerce, no se decolora y no le afecta la humedad.

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• Celuloide: Nombre comercial con el que se conoce un tipo especial de plástico sintético producido al mezclar nitrato de celulosa, o piroxilina, con pigmentos y agentes de relleno en una disolución de alcanfor y alcohol.

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Sin embargo, su principal inconveniente es una alta inflamabilidad, y a pesar de las modificaciones introducidas en su elaboración para reducir el peligro de incendio, ha sido reemplazado por otros materiales en numerosas aplicaciones, como es el caso de las cintas cinematográficas.

• Metacrilato: Nombre común del polimetacrilato de metilo, polímero sintético obtenido por adición de radicales libres del monómero llamado metacrilato de metilo, CH2=CCH3COOCH3.



En el laboratorio, se obtiene calentando el monómero en presencia de un iniciador, luego de esto, la reacción se propaga hasta formar un macrorradical y el proceso se termina por desproporción.



En la industria, la polimerización se controla hasta que se obtiene una consistencia de jarabe el que luego se vierte en un molde, entre láminas de vidrio verticales, donde termina la polimerización.



El resultado es un plástico transparente, incoloro aunque fácil de colorear, y que adopta la formadel recipiente que lo contiene. Además de poseer excelentes propiedades ópticas, es resistente a la intemperie, a los golpes, a las disoluciones diluidas de ácidos y bases, y a la abrasión.



En general, se utiliza en la fabricación de múltiples productos, como tulipas, diales, mangos, objetos de bisutería, carteles y lentes. Se encuentra disponible en hojas, barras, tubos por fusión y en composiciones por moldeo y extrusión.



Por ejemplo, el poliestireno cristal es un polímero puro del estireno, sin modificadores, lo que lo convierte en un material transparente, quebradizo e inflamable, pero con muy buenas propiedades eléctricas.



El poliestireno expandido se prepara por polimerización en suspensión del estireno en presencia de agentes aireantes y, a partir de él, se obtienen las espumas aislantes; también se utiliza para embalar productos alimenticios y objetos frágiles.



Otro poliestireno, traslúcido, muy resistente al impacto y a las bajas temperaturas, es el poliestireno de impacto que se obtiene por polimerización del estireno en presencia de caucho buna. Es menos resistente a la alteración química y al envejecimiento que el poliestireno clásico, y se utiliza sobre todo, en las instalaciones de refrigeración y en la fabricación de tapones, vasos desechables y lámparas.



La polimerización del estireno con propenonitrilo genera otro tipo de poliestireno muy resistente al rayado y a la acción de los agentes químicos. Este material es un termoplástico cuya polimerización se lleva a cabo en masa o en suspensión, mediante radicales libres.

• Polietileno: Material obtenido al polimerizar monómeros de etileno y que se designa con la sigla PE. Es uno de los materiales plásticos de mayor producción.

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• Poliestireno: Son materiales obtenidos de la polimerización del estireno. Según sea el tipo de monómero del estireno utilizado en la polimerización, se pueden distinguir diversos tipos de poliestirenos que poseen propiedades químicas y físicas muy diferentes.



Según el proceso de polimerización, se distinguen varios tipos de polietilenos: el de baja densidad, el de alta densidad y los lineales de baja densidad.

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El polietileno de baja densidad (LDP), es un polímero ramificado que se obtiene por la polimerización en masa del etileno, mediante un mecanismo de radicales libres, a alta presión.

Capítulo 9

Materiales de uso cotidiano



Es un sólido más o menos flexible, ligero y buen aislante eléctrico que presenta, además, una gran resistencia mecánica y química.



Gracias a sus características y bajo costos, se utiliza mucho para envasado, revestimiento de cables y en la fabricación de tuberías.



A partir del polietileno de baja densidad se obtiene el polietileno reticulado (con enlaces entre cadenas vecinas), que es un material rígido y mucho más resistente a la tracción y al cambio de temperatura. Se utiliza para proteger y aislar líneas eléctricas de tensión baja y media.



El proceso de polimerización del polietileno de alta densidad (HDP), se lleva a cabo a baja presión y con catalizadores en suspensión. Debido a esto, se obtiene un polímero muy cristalino, de cadena lineal muy poco ramificada.



Su resistencia química y térmica, así como su opacidad, impermeabilidad y dureza son superiores a las del polietileno de baja densidad, aunque este último es más resistente al agrietamiento y los impactos.



Este polietileno es ampliamente utilizado en la construcción y también para la fabricación de prótesis, envases, balones para gases y contenedores de agua y combustible.



El polietileno lineal de baja densidad (LDLP), se obtiene al polimerizar etileno con un alqueno (especialmente 1-buteno) a baja presión, en disolución, suspensión o fase gaseosa, y en presencia de catalizadores. Se trata de un polímero lineal con ramificaciones cortas que hacen que su temperatura de fusión y su resistencia a la tracción y al agrietamiento sean superiores a las del polietileno de baja densidad.



El LDLP se emplea en el recubrimiento de cables y en la fabricación de objetos moldeados por extrusión o soplado.

• PVC: Siglas con que se designa el policloruro de vinilo, (-CH2 - CHCl- )n, polímero sintético de adición que se obtiene por la polimerización del cloruro de vinilo CH2 = CHCl. Su masa molecular relativa puede llegar a ser de 1.500.000.

El proceso de polimerización se efectúa en suspensión acuosa, utilizando un jabón como emulsionante y un persulfato como iniciador, y transcurre en las tres etapas típicas de las reacciones por radicales libres: iniciación, propagación y terminación.



En la etapa de iniciación, un radical libre reacciona con el cloruro de vinilo para dar un radical libre de cloruro de vinilo: R CH2 = CHCl R - CH2 – CHCl



Durante la propagación, el radical del monómero reacciona con más moléculas de cloruro de vinilo obteniéndose un macrorradical: R - (-CH2 - CHCl- )n - CH2 – CHCl

La última etapa, es decir la etapa de terminación, es una reacción de acoplamiento de dos macrorradicales.



El PVC es un plástico duro, resistente al fuego, a la luz, a los productos químicos, a los insectos, a los hongos y a la humedad. Es ignífugo, no se rompe ni se astilla, ni se mella fácilmente.



Todas estas propiedades, y el hecho de que no requiera ser pintado y que pueda reciclarse, implican un bajo costo de mantenimiento y un menor impacto ambiental.

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R - CH2 – CHCl + n (-CH2 - CHCl- )

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Su rigidez permite utilizarlo en la fabricación de tuberías, láminas y recubrimientos de suelos. Se hace flexible al mezclarlo con un plastificante, generalmente un poliéster alifático, siendo utilizado como aislante de tendidos eléctricos, como cuero sintético, para la fabricación de envases de alimentos y de artículos impermeables.

• Teflón: Este material es una resina resistente al calor y a los agentes químicos, que se obtiene por polimerización, a alta presión, del tetrafluoretileno (CF2CF2) con un iniciador de radicales libres. La energía que se desprende en la reacción de polimerización es tan elevada que se deben tomar bastantes precauciones para evitar una probable explosión.

Este plástico puede resistir temperaturas hasta de 300 ºC y se caracteriza por presentar una extraordinaria inercia química frente a todos los disolventes y agentes químicos, exceptuando los metales alcalinos en estado fundido, y al flúor a presión y temperaturas elevadas.

Frente al agua presenta una resistencia completa y una absorción absolutamente nula.



El teflón es incombustible, no inflamable, antiadherente y no absorbe olores ni sabores. Además es aislante eléctrico y presenta resistencia total al envejecimiento y a los rayos ultravioletas.



Todas estas propiedades, junto a sus elevadas tenacidad y flexibilidad, convierten al teflón en un material con múltiples aplicaciones como por ejemplo, revestimiento para hilos eléctricos y cables, vainas de protección, bobinas de motores, diafragmas y membranas; moldeado y fabricación de utensilios de uso doméstico y artículos de todo tipo.

1.3 Caucho Esta sustancia, de origen natural o sintética, que se caracteriza por su elasticidad, repelencia al agua y resistencia eléctrica también se conoce con el nombre de hule. El caucho natural se obtiene de un líquido lechoso de color blanco llamado látex, que se encuentra en numerosas plantas. El caucho sintético se prepara a partir de hidrocarburos insaturados. Las principales fuentes de caucho puro son las láminas y planchas de látex obtenido de las plantaciones del árbol Hevea, además del látex no coagulado, empleado en algunas industrias. El caucho, en estado natural ,es un hidrocarburo blanco o incoloro.

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El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H8.

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A la temperatura del aire líquido, alrededor de -195 ºC, el caucho puro es un sólido duro y transparente. De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se vuelve blando, flexible y translúcido. Al amasarlo mecánicamente, o al calentarlo por encima de 50 ºC, adquiere una textura de plástico pegajoso. A temperaturas de 200 ºC o superiores se descompone. El caucho puro es insoluble en agua, álcalis o ácidos débiles, y soluble en benceno, petróleo, hidrocarburos clorados y disulfuro de carbono. Con agentes oxidantes químicos se oxida rápidamente, pero con el oxígeno de la atmósfera lo hace lentamente.

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Actualmente, para la fabricación de artículos de caucho natural, éste se trata junto a otras sustancias y se procesa mecánicamente. La mezcla obtenida, se coloca en moldes para su posterior vulcanizado. El caucho vulcanizado tiene más elasticidad y mayor resistencia a los cambios de temperatura que el no vulcanizado; además es impermeable a los gases y resistente a la abrasión, a los agentes químicos, al calor y a la electricidad. También posee un alto coeficiente de rozamiento en superficies secas y un bajo coeficiente de rozamiento en superficies mojadas por agua. El principal agente vulcanizante sigue siendo el azufre, aunque también se emplean ciertos elementos no metálicos como el selenio y el teluro, con una elevada proporción de azufre.

Sabías que... En 1839, el inventor estadounidense Charles Goodyear, descubrió que cociendo caucho con azufre desaparecían las propiedades no deseables del caucho, en un proceso denominado vulcanización.

En la fase de calentamiento del proceso de vulcanización, el caucho se mezcla con el azufre y con el resto de los aditivos. La proporción azufre-caucho varía entre un 1:40 para el caucho blando hasta un 1:1 en el caucho duro. La vulcanización en frío, que se utiliza para fabricar artículos de caucho blando como guantes y artículos de lencería, se lleva a cabo por exposición al vapor de cloruro de azufre (S2Cl2). Los agentes aceleradores de la vulcanización que se empleaban en un principio eran solamente óxidos metálicos como el blanco de plomo y la cal. Sin embargo, actualmente se utiliza una amplia variedad de aminas orgánicas. El caucho reciclado, calentado con álcali de 12 a 30 horas, puede emplearse como adulterante del caucho crudo para rebajar el precio final del producto. La cantidad de caucho reciclado que se puede utilizar dependerá de la calidad del artículo que se quiera fabricar. Además de la vulcanización, en la mayoría de los casos, el caucho bruto se mezcla con numerosas sustancias que modifican sus características. Existen aditivos que estiran el caucho pero no lo endurecen materialmente, como el carbonato de calcio y la baritina o sulfato de bario. También se pueden añadir otras sustancias que le confieran mayor dureza al producto final, como el carbonato de magnesio y ciertas arcillas.

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Antes de mezclarlo con otras sustancias, el caucho es sometido a un proceso de trituración, llamado masticación, que lo vuelve suave, pegajoso y plástico. En este estado, el caucho está en mejores condiciones para mezclarse con los aditivos mencionados anteriormente, proceso que ocurre en las máquinas mezcladoras.

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Otros aditivos utilizados son algunos pigmentos como el óxido de zinc, el litopón y muchos tintes orgánicos, además de agentes ablandadores, como ciertos derivados del petróleo (aceites y ceras), la brea de pino o los ácidos grasos, que se usan cuando el caucho es demasiado rígido para mezclarse con otras sustancias.

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Luego del mezclado y plastificado, el caucho puede pasar a un proceso de satinación o a uno de extrusión, dependiendo del uso que se le quiera dar. Las máquinas satinadoras se usan para producir láminas de caucho con o sin dibujos, como las estrías en los neumáticos de los automóviles, para comprimir el caucho y darle textura de tejidos o cuerdas, y para revestimiento del caucho con más capas del mismo. Mediante el proceso de extrusión, el caucho se prensa a través de troqueles, formándose tiras aplastadas, tubulares o de una forma determinada. Este proceso se emplea en la fabricación de tuberías, mangueras y productos para sellar puertas y ventanas. Una vez fabricados, la mayoría de los productos del caucho se vulcanizan bajo presión y alta temperatura. Muchos productos se vulcanizan en moldes y se comprimen en prensas hidráulicas, aunque la presión necesaria para una vulcanización eficaz se puede conseguir sometiendo el caucho a la presión externa o interna del vapor durante el calentamiento. En comparación con el caucho vulcanizado, el caucho no tratado tiene muy pocas aplicaciones. Se usa en cementos, cintas aislantes, cintas adhesivas y como aislante en mantas y zapatos. El caucho vulcanizado tiene variadas aplicaciones. Por su resistencia a la abrasión, el caucho blando se utiliza en los dibujos de los neumáticos de los automóviles y en las cintas transportadoras; el caucho duro se emplea para fabricar carcasas de equipos de bombeo y tuberías utilizadas para perforaciones con lodos abrasivos. Por su flexibilidad, se utiliza frecuentemente para fabricar mangueras, neumáticos y rodillos para una amplia variedad de máquinas, desde los rodillos para escurrir la ropa hasta los utilizados en las imprentas. Por su elasticidad, se usa en varios tipos de amortiguadores y mecanismos de las carcasas de ciertas máquinas para reducir las vibraciones. Al ser relativamente impermeable a los gases, se emplea para fabricar mangueras de aire, globos y colchones. Su resistencia al agua y a la mayoría de los productos químicos líquidos se aprovecha para fabricar ropa impermeable, trajes de buceo, tubos de laboratorio y sondas para la administración de medicamentos, revestimientos de tanques de almacenamiento, máquinas procesadoras y vagones aljibes para trenes. Por su resistencia a la electricidad, el caucho blando se utiliza en materiales aislantes, guantes protectores, zapatos y mantas, y el caucho duro se usa para las carcasas de teléfonos, piezas de aparatos de radio, medidores y otros instrumentos eléctricos. El coeficiente de rozamiento del caucho, alto en superficies secas y bajo en superficies húmedas, se aprovecha para correas de transmisión y cojinetes lubricados con agua en bombas para pozos profundos.

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a. Espuma de caucho y productos moldeados

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La espuma de caucho se elabora directamente a partir del látex con sustancias emulsificantes. La mezcla se bate mecánicamente en una máquina donde se forma una gran espuma que se vierte en moldes y se vulcaniza por calentamiento para fabricar objetos como colchones y almohadas. El látex puede moldearse para hacer artículos como juguetes o guantes de goma, introduciendo moldes de porcelana o de yeso blanco dentro del látex concentrado. De este modo, la capa de látex se adhiere al molde y se extrae después de la vulcanización.

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b. Caucho sintético Sustancia elaborada en forma artificial y que posee las mismas propiedades del caucho natural. Se obtiene por reacciones químicas de condensación o polimerización de determinados monómeros de un hidrocarburo insaturado llamado isopreno. Después de su fabricación, el caucho sintético también debe someterse al proceso de vulcanización.

c. Tipos de caucho sintético

• Neopreno: Este polímero es uno de los primeros cauchos sintéticos desarrollados en un laboratorio (en el año 1931). Se obtiene por polimerización del cloropreno. Las materias primas para sintetizar cloropreno son el etino y el ácido clorhídrico. El neopreno tiene la propiedad de ser altamente resistente al calor y a productos químicos como aceites y petróleo. Se emplea en tuberías de conducción de petróleo y como aislante en cables y maquinaria industriales.

• Buna o caucho artificial: En 1935 se logró sintetizar esta serie de cauchos llamados cauchos buna, obtenidos por un proceso de copolimerización, que consiste en la polimerización de dos monómeros denominados comonómeros. La palabra buna se deriva de las letras iniciales de butadieno (uno de los comonómeros), y natrium (sodio), empleado como catalizador. En la buna N, el otro comonómero es el propenonitrilo (CH2 = CH(CN)), que se produce a partir del ácido cianhídrico. La buna N es muy útil en aquellos casos donde se requiere resistencia a la acción de aceites y a la abrasión. Industrialmente, el caucho Buna se obtiene por copolimerización de butadieno y estireno (buna S).

• Caucho de butilo: Este tipo de caucho sintético, fue producido por primera vez en 1949. Se obtiene por la copolimerización de isobutileno con butadieno o isopreno. Este material es plástico y puede trabajarse como el caucho natural, pero es difícil de vulcanizar. Aunque no es tan flexible como el caucho natural y otros productos sintéticos, es muy resistente a la oxidación y a la acción de productos corrosivos. Debido a su baja permeabilidad a los gases, se utiliza en las cámaras interiores de los neumáticos.

d. Otros cauchos especiales Se han desarrollado numerosos tipos de cauchos con propiedades específicas para aplicaciones y usos especiales. Uno de estos cauchos especiales es el coroseal, un polímero de cloruro de vinilo (CH2 = CHCl). Estos polímeros son resistentes al calor, la corrosión y la electricidad, y no se deterioran por la acción de la luz ni por un almacenamiento prolongado. El coroseal no se puede vulcanizar, pero mientras no se le someta a altas temperaturas, se muestra más resistente a la abrasión que el caucho natural o el cuero.

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Muchos otros tipos de caucho sintético se producen con métodos parecidos a los descritos anteriormente.

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Otro tipo de caucho especial es el tiocol, que se obtiene por copolimerización de dicloruro de etileno (CHCl = CHCl) y tetrasulfuro de sodio (Na2S4). Puede trabajarse y vulcanizarse del mismo modo que el caucho natural y se caracteriza por ser muy resistente a la acción de los aceites y los disolventes orgánicos usados en los barnices. Se emplea para aislamientos eléctricos ya que no se deteriora con la luz ni la electricidad.

229

capítulo

9

La introducción de algunos cambios en los procesos de polimerización, ha mejorado la calidad de los productos y ha abaratado, en gran medida, los costos de producción.

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Preuniversitarios

Uno de los mayores avances en este campo, ha sido el uso del petróleo como aditivo, que permite la conservación de enormes cantidades de caucho sintético almacenado. Gracias a ello, se ha conseguido fabricar neumáticos de larga duración.

230

Capítulo 9

Materiales de uso cotidiano

Ejercicios

Ejercicios resueltos 1. El proceso de meteorización se puede clasificar como:

3. Para vulcanizar principalmente:



I. II. III.



Indique la alternativa correcta.





A) B) C) D) E)

Un proceso de desintegración física. Un proceso de desintegración química. Un proceso de mezclado.

Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. Sólo II y III.

Alternativa: D. Habilidad: Reconocimiento. Defensa: La meteorización es un proceso físico-químico de desintegración que experimentan la mayoría de las rocas naturales.

2. El teflón es un material con excelentes propiedades antiadherentes que se obtiene al polimerizar monómeros de:

A) Metacrilato de metilo. B) Cloruro de vinilo. C) Estireno. D) Tetrafluoretileno. E) Metilbutadieno.

caucho,

se

utilizan

Compuestos de azufre. Óxidos de cobre. Óxidos de molibdeno. Boratos de calcio. Compuestos de silicio.

Alternativa: A. Habilidad: Conocimiento. Defensa: El principal agente utilizado en cualquier proceso de vulcanización es el azufre, aunque, en algunos casos, se puede emplear otros elementos como selenio y/o teluro.

4. Identifique la alternativa correcta con respecto a los principales componentes de la arcilla: I. Caolinita (Al2Si2O5(OH)4) II. Aluminato tricálcico (3CaOAl2O3) III. Isopreno (C5H8)

A) B) C) D) E)

Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. Sólo I y III.

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Alternativa: A. Habilidad: Conocimiento. Defensa: Uno de los principales silicatos que conforman la arcilla es el silicato de aluminio hidratado que se conoce con el nombre de caolinita, y que sirve de base para fabricar diversos materiales.

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Alternativa: D. Habilidad: Comprensión. Defensa: Esta resina resistente al calor, se obtiene por la polimerización de los monómeros de tetrafluoretileno.

A) B) C) D) E)

el

231

capítulo

9

Ejercicios

5. El término “clínquer” está asociado a la industria de: A) Vidrio B) Cerámica C) Loza D) Cemento E) Caucho. Alternativa: D. Habilidad: Comprensión. Defensa: El clínquer es el resultado de la trituración y posterior fundición de las materias primas utilizadas para la fabricación del cemento.

Ejercicios propuestos 1. La etapa de propagación, polimerización implica:

durante

una

I. Formación de radicales libres. II. Reacción del monómero con el solvente. III. Obtención de macrorradicales.

A) B) C) D) E)

Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y III. Sólo II y III.

2. El caucho Buna es un material sintético obtenido mediante:

A) Un proceso de copolimerización de butadieno. B) Un proceso de vulcanización. C) Un proceso de polimerización de estireno. D) Un proceso de depolimerización de isopreno. E) Ninguna de las alternativas es correcta.

3. Los principales polímeros obtenidos por reacciones de adición son:

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A) B) C) D) E)

232

Nylon, PE, PP, poliésteres. PE, PP, PVC, poliestireno. PVC, nylon, poliestireno, poliuretano. PVC, PP, isopreno, poliuretano. Nylon, poliuretano, PE, PVC.

Materiales de uso cotidiano

Capítulo 9

Ejercicios 4. El amplio grupo de minerales que componen el feldespato, sirven como materia prima para la fabricación de: I. Cerámica II. Loza. III. Vidrio.

A) B) C) D) E)

Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. I, II y III.

5. Dentro de los aditivos químicos que se agregan a los plásticos para mejorar sus propiedades, se encuentran: I. antioxidantes. II. plastificantes. III. estabilizantes. Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. I, II y III.

Respuestas correctas

CPECH Preuniversitarios

Conocimiento

E

Aplicación

D

4

Aplicación

B

3

Comprensión

A

2

Conocimiento

C

1

Alternativa

Número

Habilidad

A) B) C) D) E)

5



233

GLOSARIO Ácido Especie química que libera iones hidrógeno H+ (definición de Lowry – Brønsted, que en este respecto coincide con la definición clásica de Arrhenius).

Anodizado Procedimiento mediante el que se somete un metal o recubrimiento metálico a un proceso de oxidación electroquímica, funcionando dicho metal como ánodo de la celda electroquímica.

Ácido carboxílico Ácido que contiene el grupo funcional carboxilo, -COOH.

Átomo Es la partícula más pequeña que posee las propiedades de un elemento. Toda la materia está compuesta de átomos.

Ácidos nucleicos Biopolímero con unidades monoméricas formadas por un azúcar, un grupo fosfato y una base orgánica. Alcano Compuesto orgánico de cadena abierta que contiene sólo carbono e hidrógeno y que carece de enlace doble o triple. Alcohol Compuesto orgánico que contiene el grupo hidróxilo, -OH. Aminoácido Molécula con un grupo amino en el carbono adyacente al grupo carboxílico.

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Alqueno Compuesto orgánico de cadena abierta que contiene sólo carbono e hidrógeno y que tiene uno o más enlaces dobles C=C.

234

Alquimia Actividad desarrollada en la Edad Media. Mezcla de filosofía, misticismo, magia y química. Su objetivo principal fue la transformación de los metales comunes en oro. Alquino Compuesto orgánico de cadena abierta, constituido exclusivamente por carbono e hidrógeno y que contiene uno o más enlaces triples C C.

Azurita Mineral de cobre de interés industrial, cuya fórmula es CuCO3 x Cu(OH)2. Base Especie química que capta iones hidrógeno H+ (definición de Lowry – Brønsted). Calor Es un flujo de energía que se produce entre cuerpos que se hallan a diferente temperatura. (Recordar lo aprendido en física en relación con las formas en que se transfiere calor: conducción, convección y radiación). Cambio de estado Es la interconversión de la materia entre los estados sólido, líquido o gaseoso. Cambio físico Es el cambio de la materia en el que no se modifica la identidad y composición de la sustancia en cuestión. Este cambio es reversible. Por ejemplo: evaporación del agua. Cambio químico Es la transformación en la materia que produce un cambio de la identidad de una o más sustancias, es un cambio irreversible. Por ejemplo: combustiones y oxidaciones.

Capa de valencia Nivel de energía de un átomo que determina sus propiedades químicas, en particular la formación de enlaces. Ciencia experimental Estudio cuyos principios y leyes provienen de la experimentación, es demostrable y puede tener aplicación práctica. Compuesto covalente Compuesto que contiene sólo enlaces covalentes. Compuesto orgánico Compuesto que contiene carbono, por lo común en combinación con hidrógeno, oxígeno o nitrógeno, menos frecuente con fósforo, halógenos o azufre. Configuración electrónica Distribución de los electrones en los diversos niveles energéticos de un átomo, ión o molécula.

Electroafinidad (afinidad electrónica) Es la energía asociada a la captación de un electrón por la capa de valencia de un átomo. Electrófilo Especie que presenta alguna deficiencia de electrones o que tiene carga positiva y que se enlaza a átomos, particularmente carbono, en especies de alta densidad de carga electrónica o con carga negativa. Electrometalurgia Proceso de obtención, separación o purificación de un metal que ocupa un método electroquímico. Electronegatividad Capacidad de un átomo, en una molécula, para atraer los electrones hacia sí. Elemento químico Es una sustancia constituida por un solo tipo de átomos, que puede formar parte de todas las demás sustancias.

Datación radioactiva Método usado para determinar la edad de objetos de interés científico, histórico o arqueológico y que se basa en la determinación de la cantidad relativa o concentración de un isótopo inestable, de vida media relativamente larga.

Energía de enlace Energía necesaria para romper un enlace. Por lo general se refiere a 1 mol de enlaces y se expresa en kJ x mol-1.

Desnaturalización Perturbación estructural de una proteína con pérdida de su función.

Energía de ionización (potencia de ionización) Energía necesaria para desprender un electrón de un átomo aislado al estado gaseoso y llevarlo al infinito. Corresponde a la energía involucrada en el proceso.

Dismutación Proceso de oxido-reducción interno, en el que un átomo en un compuesto se oxida en tanto que otro (s) átomo(s) del mismo tipo se reduce(n).

Energía interna Comprende todas las formas de energía de un sistema y se compone de las energías propias de las partículas y de sus interacciones. Energía libre (G) Función de estado termodinámica que permite determinar la dirección en que ocurre un proceso en forma espontánea. Se define formalmente ΔG = ΔH-TΔS, en la que H es la entalpía del sistema, T su temperatura absoluta (en grados Kelvin) y S, su entropía.

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Efecto estérico Influencia sobre la velocidad relativa de reacción del arreglo espacial de átomos o grupos en el sitio de reacción o próximo a éste que retarda o prácticamente impide la reacción.

M(g) → M+(g) + e–

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Disolución amortiguadora (disolución Buffer) Solución que contiene un ácido o base débil y una de sus sales, que tiene la propiedad de mantener el pH dentro de un estrecho rango cuando se le adicionan cantidades discretas de ácidos o bases.



235

Enlace covalente Fuerza que mantiene unidos a dos átomos, cuando comparten uno o más pares de electrones. Enlace iónico Atracción entre átomos con carga opuesta en un compuesto iónico. Se produce cuando un átomo cede uno o más electrones y el otro lo(s) acepta. Enlace metálico Enlace formado por elementos metálicos que es fuertemente deslocalizado. Entalpía (H) Función de estado termodinámica que se define formalmente como H = E + PV, en donde E es la energía interna del sistema, P su presión y V el volumen que éste ocupa. Entorno Es la parte externa de un sistema termodinámico y que junto a éste conforma el universo. Entropía (S) Función de estado termodinámica que se relaciona con el grado de ordenamiento del sistema. Espectroscopio Aparato que separa en sus componentes de longitud de onda característica la radiación electromagnética emitida o absorbida por un átomo. Espontaneidad Un proceso es termodinámicamente espontáneo cuando ocurre en una determinada dirección, si un sistema es abandonado a su suerte. Todos los procesos que ocurren con una disminución de la llamada energía libre son espontáneos.

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Estabilidad cinética Se dice que una sustancia o sistema es cinéticamente estable frente a una transformación dada, si ella ocurre con una velocidad muy pequeña.

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Estabilidad termodinámica Un sistema es termodinámicamente estable frente a un proceso determinado si éste no ocurre en forma espontánea (ΔG >0).

Estado de equilibrio Estado de un sistema en el que las variables de estado se mantienen indefinidamente inalteradas mientras no se cambien las condiciones del entorno. Estado o número de oxidación Se define formalmente, para un átomo en un compuesto binario, como el número de electrones que gana o pierde dicho átomo para formar un compuesto. Estequiometría Proporción en que los elementos o compuestos reaccionan entre sí. Estereoquímica Representación de una molécula en el espacio tridimensional, de modo que refleja la real ubicación de sus átomos o grupos atómicos. Ésteres Compuestos orgánicos de fórmula R-COO-R. Estructura de Lewis Representación de los electrones de la capa de valencia de un átomo mediante puntos. Los enlaces covalentes simples entre dos átomos se representan por un par de puntos o por un trazo, los enlaces dobles por dos pares de puntos o por dos trazos, y así sucesivamente. Evaluación sensorial Es el paso de una secuencia destinada a identificar las características de las sustancias que no pueden expresarse por medio de un valor matemático, como lo son el aroma y el sabor. Factores de estabilidad nuclear Son los factores de los que depende la estabilidad de un núcleo. Ellos son el cuociente neutrón / protón y la paridad (número par o impar de protones y neutrones). Fisión nuclear Fenómeno de ruptura de un núcleo en fragmentos de menor masa. Función de estado Función cuyo valor depende del estado actual de un sistema y no de su historia previa. Las principales funciones de estado son la energía interna, la entalpía, la entropía y la energía libre.

Fusión nuclear Fenómeno de unión de dos núcleos o partículas para formar un núcleo de mayor masa.

Ión dipolar Especie neutra, característica de aminoácidos, que muestra dos polos de carga opuesta.

Galvanizado Procedimiento de protección de un metal, predominantemente hierro, frente al daño producido por la oxidación mediante su recubrimiento con una capa de zinc.

Ión monoatómico Especie eléctricamente cargada que consiste de sólo un átomo.

Gas Estado de la materia en que sus moléculas tienen alta energía cinética. Entre las moléculas de un gas existe poca fuerza de atracción. Gas noble Elemento del grupo 0 (18), He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Los gases nobles se caracterizan por sus niveles “np” completos (a excepción del He que completa la capa 1s) y son elementos de escasa, pero no nula, reactividad química. Por ello no se deben denominar “gases inertes”. Genoma Estructura genética completa de un organismo. Grupo funcional Conjunto de átomos enlazados de una determinada manera, que caracteriza el comportamiento físico-químico de las moléculas que lo contienen. Ejemplos típicos son los grupos funcionales ácido carboxílico (R-COOH), alcohol (R-OH) y éster (R-COO-R).

Ión poliatómico Especie eléctricamente cargada consistente de dos o más átomos. Indicador ácido-base Sustancia que manifiesta un cambio (por lo general de color) a determinado valor de la concentración de iones H+ en la disolución. Irreversibilidad En un sentido no riguroso, alude a la calidad de procesos (irreversibles) en un sistema que ocurren cuando se alteran las condiciones del entorno, en una sola dirección, es decir, no en dirección contraria. Isómeros geométricos Moléculas con idéntico número de átomos y enlaces, pero con diferente distribución espacial. Isótopo Especie atómica caracterizada por un cierto número de protones y neutrones. Para un mismo elemento se pueden dar varios isótopos, cuyos núcleos difieren sólo en el número de neutrones.

Hidratación Fenómeno por el cual un ión o molécula se rodea de moléculas de agua. Para el caso general de cualquier disolvente el proceso se denomina solvatación.

Ley Es la expresión matemática u oral de un fenómeno en el cual se observa regularidad en su comportamiento.

Hidrometalurgia Método de obtención, separación o purificación de un metal que utiliza soluciones o suspensiones acuosas.

Leyes de Faraday de la electrólisis Leyes descubiertas por Michael Faraday, en 1833, que establecen relaciones cuantitativas entre la cantidad de corriente que ha circulado por una celda electroquímica y la masa de sustancia transformada. La cantidad de sustancia o cambio químico producido por la corriente eléctrica es proporcional a la carga eléctrica que ha circulado por la celda electrolítica.

Hipótesis científica Es una posible explicación a un hecho o fenómeno del cual puede haber o no antecedentes previos.

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Iatroquímica Actividad posterior a la alquimia, considerada como el arte de curar sobre la base de extraños vegetales y otros preparados.

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Hibridación Combinación algebraica de orbitales atómicos de energía similar, para generar un número equivalente de orbitales “mezclados” o “híbridos”.

237

Para una misma cantidad de carga eléctrica que ha circulado por una celda electrolítica, la cantidad de sustancia o cambio químico producido es proporcional al peso equivalente de la sustancia. Éste se define como la masa molar, expresada en gramos, asociada a la captación o cesión de un electrón durante el proceso electroquímico para cada una de las especies en una cantidad igual a un número de Avogadro. (Véase unidad Faraday). Lixiviación bacteriana Proceso utilizado para disolver minerales, principalmente de cobre, uranio y oro, utilizando cultivos de bacterias. Materia Es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Mecanismo de reacción Descripción de una secuencia de eventos que se postula que ocurren a nivel molecular cuando los reactantes se transforman en productos. Mena Material de un yacimiento mineral, disponible en una concentración tal que permite su procesamiento para la obtención del correspondiente metal. Metalurgia Es la ciencia que trata de la obtención de un metal a partir de su mineral, en un estado apropiado de pureza para el empleo al que se le va a destinar.

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Método cuantitativo Secuencia de pasos destinados a obtener de las sustancias características medibles, por medio de un valor matemático, como, por ejemplo, análisis de masa y densidad.

238

Método del ión electrón Procedimiento de igualación que se aplica primero, independientemente, a las ecuaciones de las semireacciones de oxidación y de reducción. En una segunda etapa éstas se relacionan para representar la reacción completa de óxido-reducción (o redox), cuidando que el número de electrones cedidos en la semi-reacción de oxidación sea igual al número de electrones aceptados en la reducción.

Metales Elementos de brillo característico, que conducen bien la corriente eléctrica y el calor. Metaloide Elemento con propiedades intermedias a las de los metales y los no metales. Su conductividad eléctrica aumenta al elevar la temperatura. Mezcla Combinación de sustancias en la que cada una conserva sus características individuales. Modelo planetario Modelo que describía al átomo como un diminuto sistema solar, en el que los electrones giraban alrededor del núcleo de manera análoga a como lo hacen los planetas alrededor del sol. Este modelo fue superado ya que no corresponde a una realidad física. Molalidad (m) Unidad de concentración de disoluciones que se define como el número de moles de soluto disuelto en 1 kilogramo de disolvente. Molaridad (M) Unidad de concentración definida por el número de moles de soluto o de especies iónicas en 1 litro de disolución. Monómero Compuestos a partir de los cuales se preparan polímeros. No metal Elemento que es mal conductor del calor y de la electricidad. Nucleófilo Especie que presenta un par electrónico no compartido o con carga negativa, que específicamente ataca a un átomo, generalmente de carbono, de una molécula que exhibe baja densidad de carga electrónica o carga positiva. Número de Avogadro 6,0221 x 1023 . Es el número de partículas en 1 mol. Número másico Suma del número de protones y neutrones en un átomo específico.

Observación Acto de examinar atenta y objetivamente por medio de los sentidos un fenómeno u objeto.

Pirometalurgia Proceso que utiliza energía térmica (calor) para el procesamiento de metales o sus menas.

Orbital Se puede definir como una región del espacio alrededor del núcleo atómico que puede estar ocupada por 1 ó 2 electrones. (Esta no es una definición rigurosa, ya que el orbital es una función matemática o función de onda característica, que es solución de la ecuación de ondas de Schrödinger. Para el caso de un átomo se designan como orbitales atómicos, mientras que en las moléculas se conocen con el nombre de orbitales moleculares).

Plásticos Son todos aquellos polímeros que pueden ser moldeados en alguna de sus fases de su elaboración, mediante la aplicación de fuerzas relativamente débiles y a temperatura moderada.

Osmosis Paso de moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable, que se manifiesta por un flujo neto de disolvente desde una disolución diluida o desde el disolvente puro hacia una disolución más concentrada. Osmosis inversa Es el fenómeno inverso al espontáneo de osmosis y se logra aplicando una presión a una solución concentrada de modo que las moléculas de solvente pasen a través de una membrana semipermeable hacia otra disolución más diluida o hacia el disolvente puro. Oxidación Proceso que involucra, formalmente, la cesión de uno o más electrones por parte de un átomo (o un grupo de átomos). Se dice que éste (o éstos) se oxida(n). Partícula Alfa α Núcleo de helio, 2He4, emitido durante la desintegración radiactiva. Partícula Beta β Electrón emitido durante la desintegración radiactiva.

Presión Variable de estado de un sistema termodinámico que se relaciona, en un gas, con el número de choques y cantidad de movimiento. Primer principio de termodinámica Es una reformulación del principio de conservación de la energía y establece que la variación de energía interna de un sistema se calcula conociendo el calor y trabajo intercambiado por el sistema. Principio de Constitución de Bohr Establece que en la construcción de la estructura electrónica de un átomo los electrones ocupan primero los niveles inferiores de menor energía y, sucesivamente, a medida que éstos se van completando, los niveles superiores de mayor energía. Se le llama también principio de “Aufbau”. Principio de exclusión de Pauli Los electrones siempre ocupan un orbital con spin opuesto, de modo que éste jamás puede ser ocupado por más de dos electrones. (Ello debido a que el número de spin asociado al electrón tiene sólo dos valores posibles y un tercer electrón tendría, necesariamente, su número de spin igual al de alguno de los otros dos).

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pH Se define como el valor negativo del exponente de la concentración molar de iones H+ de una disolución, expresada en base 10. También se puede expresar como: pH = -log [H+].

Polímeros Se denomina así a todas las moléculas de muchos componentes. Se originan por la unión de muchas moléculas más simples, denominadas monómeros, y que son idénticas entre sí.

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Partícula Gama γ Fotón emitido por un núcleo excitado. Más propiamente se habla de radiación, puesto que se trata de radiación electromagnética de alta energía.

Polaridad de enlace Propiedad permanente de un enlace que se manifiesta por una separación parcial de carga eléctrica determinada por la diferente electronegatividad de los átomos unidos.

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Principio de máxima multiplicidad de Hund Principio que establece que los electrones en un átomo ocupan varios niveles de idéntica energía de modo tal que su número de spin total, comprendido como la suma de los números de spin de los electrones individuales, es máximo. Proceso Transformación que ocurre en un sistema. Proceso endotérmico Proceso en el que el sistema absorbe calor desde el entorno. Proceso espontáneo Es todo proceso que ocurre con una disminución de su energía libre. Proceso exotérmico Proceso en el cual el sistema libera calor al entorno. Proceso irreversible Es todo proceso que ocurre, en un sistema aislado, en una dirección determinada y que no se puede revertir al someter al sistema a condiciones similares a las que existían antes de ocurrir dicho proceso. Proceso reversible Proceso que ocurre en un sistema aislado y que se puede revertir cuando se le somete a las condiciones iniciales.

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Producto iónico del agua KW Producto de las concentraciones molares de iones H+ y OH– y que tiene un valor constante, que equivale a 1 x 10–14 dependiendo de la temperatura. En rigor depende también de la concentración de sales y/o de la presencia de otros solutos como alcohol.

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Propiedades periódicas Propiedades de los átomos de los elementos químicos que se repiten en forma regular o cíclica cuando se representan vs. su número atómico. Química Ciencia experimental que estudia la materia, en cuanto a su composición, sus características, las transformaciones que pueden experimentar y las leyes que rigen estos cambios.

Radioactividad Desintegración espontánea de núcleos atómicos inestables, acompañada de la emisión de radiación ionizante (α, β o γ). Radio atómico En el caso de una molécula diatómica homonuclear, esto es, formada por dos átomos de la misma naturaleza el radio atómico es la mitad de la distancia que separa los núcleos atómicos. Radiolisis Producción de reacciones químicas por exposición a radiación ionizante de un sistema, ya sea éste una sustancia pura gaseosa, líquida o sólida o una disolución. Reducción Proceso que significa, formalmente, la captación de uno o más electrones por parte de un átomo o grupo de átomos. Se dice que éste o éstos se reduce(n). Replicación Proceso de duplicación del ADN. Semirreacción Es un proceso en que imaginariamente transcurre, produciéndose en él, la oxidación o la reducción de un átomo en una reacción redox. Serie radioactiva natural Secuencia de etapas de desintegración de un isótopo radiactivo natural que produce finalmente un isótopo estable. Sistema Región del universo separado de éste por un borde o límite, real o imaginario. Sistema abierto Es todo sistema que permite transferencia de masa y energía con el entorno. Sistema aislado Se denomina así a todo sistema que no intercambia materia ni energía con el alrededor. Sistema cerrado Un sistema cerrado sólo intercambia energía con el alrededor.

Sistema no reactivo Sistema que respecto de un proceso determinado no sufre transformación química. Sitio activo Zona funcional de una enzima. Sustitución nucleofílica Reacción iniciada por un nucleófilo en la que éste reacciona con un sustrato o reactante reemplazando un átomo que es expulsado como anión. Temperatura Es una variable de estado que, según el modelo cinético-molecular, es una medida de la energía cinética o grado de agitación de las moléculas. Teoría Conjunto de leyes científicas que explican un determinado fenómeno. Teoría cuántica Teoría desarrollada por varios físicos a partir de 1900, año en que Max Planck enuncia su revolucionaria teoría de los cuantos, que explica exitosamente la distribución de energía en una cavidad (cuerpo negro), problema que no tiene una disolución si se intenta explicar a través de la física clásica o newtoniana. Termodinámica Es el estudio de los sistemas en relación a la factibilidad de los procesos que ocurren en ellos y a los intercambios de energía que en una transformación, cualquiera sea su naturaleza, tiene lugar entre el sistema y su entorno.

Variables de estado Conjunto de magnitudes que definen completamente el estado o condición termodinámica en que se encuentra un sistema. A partir de ellas es posible determinar cualquier propiedad (función de estado) del sistema. Variables experimentales Son los factores que tienen relación con el fenómeno en estudio. Para que éste sea claro y sencillo se fijan una serie de magnitudes (variables controladas) y se estudia la forma en que varía una magnitud (variable dependiente) cuando se produce una variación de otra magnitud (variable independiente). Vida media Tiempo característico para un isótopo determinado que tarda en ocurrir la desintegración de la mitad de sus átomos. Se aplica en general a cualquier proceso cinético. Vidrio Producto transparente, rígido, que carece de una estructura ordenada interna como la de un cristal. Vulcanización Proceso mediante el cual se trata la goma natural con azufre para mejorar sus propiedades.

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Titulación Adición controlada de una disolución de concentración exactamente conocida (o estandarizada) a una disolución de concentración desconocida, con el objeto de determinar el contenido o la concentración de una especie que reacciona con otra de la primera.

Unidad Faraday (electrólisis) Se designa así a la cantidad de carga eléctrica equivalente a 96.485,34 Coulomb que corresponde a 1 mol o número de Avogadro de electrones.

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BIBLIOGRAFÍA • “Curso de Química General”, Santa María, Francisco; tomo I y II, Ed. Universitaria, 1984. • “Fundamentos de Química”, Ricardo Feltre; volumen único, Editora Moderna, 3ª edición, 2002.

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• “Química Básica”, Melo Araya, Mario; tomo I: Estequiometría, Ed. Universitaria, 1987.

• “La Química”, Gebauer, Claudio; Ed. Universitaria, 1984.



• “Manual de Química”, Summers, Donal B.; Grupo Editorial Iberoamérica, 1983 (1975).

• “Ciencias Químicas Educación Media”, Eugenia Águila Garay, José Tomás López Vivar, Leonor Marambio Montero; Tomo I, Editorial Santillana.

• “Química Curso Universitario”, Maham, Bruce H., Fondo Educativo Interamericano, 1977.

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• “Apuntes de Química I y II” , Sánchez Tapia, Carlos y Fuster A., Ma Angélica; 2 Ed. Salesiana, 1989, (1985).

Las figuras que se presentan en este texto han sido extraídas de los siguientes libros:

• “Fundamentos de Química General”, Garzóhn G., Gillermo; Ed. McGraw-Hill, 1991.

• “Ciencias Químicas Educación Media”, Eugenia Águila Garay, José Tomás López Vivar, Leonor Marambio Montero; Tomo II, Editorial Santillana.

• “Apuntes de Química General”, Balocchi C., Emilio, et al; tomo I y II, Departamento de Química, Edición USACH, 1993, 1994.

• “Ciencias Químicas Educación Media”, José Tomás López Vivar, Manuel Martínez Martínez, Javier E. Jorquera, Mónica Muñoz Cor.

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