UNIDAD I “Los átomos y las moléculas son los únicos recursos con los que cuentan los humanos y la naturaleza para realizar sus cosas ”. Su herramienta es la Química La Química es una ciencia que estudia la MATERIA en lo que se refiere a su naturaleza, composición , su transformación y cambios energéticos asociados a estas . No puede darse una definición de la materia mediante conceptos corrientes y, análogamente a las categorías de espacio y tiempo de las que tenemos idea por sus cualidades, es más sencillo describir la materia por las propiedades que son comunes a todos los cuerpos materiales. (Ciencia Es el conjunto de conocimientos ordenado sistemáticamente acerca del universo obtenidos por la observación y el razonamiento que permiten la deducción de principios y leyes generales. La ciencia es el conocimiento sobre la verdadera naturaleza del universo ) La química se divide en cinco grandes ramas: General Inorgánica Orgánica Analítica Biológica

Método científico

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Esquema del método científico

Que es Materia?:

Todo aquello que ocupa un lugar en el espacio. Todo lo que es percibido por nuestros sentidos es de origen material. Caracteres esenciales de la materia son la extensión , la inercia, divisibilidad,

indestructibilidad. La idea de extensión, natural en los sólidos y líquidos, desaparece, en realidad se transforma, en los gases y. por ello, es mejor hablar de la inercia, cualidad por la que los cuerpos materiales ofrecen resistencia a modificar su estado de reposo o de movimiento. Del esfuerzo necesario para vencer la inercia adquirimos la idea de masa, definida por la expresión F = m. a (2º ley de Newton). La cantidad de materia de un cuerpo viene medida por su masa Cuerpo: porción limitada de materia Los cuerpos que nos rodean se encuentran en el campo de atracción de la Tierra que ejerce sobre ellos una fuerza que es su peso. Puesto que la aceleración de la gravedad en cualquier punto de la superficie de la Tierra es prácticamente constante, también lo es el peso de un cuerpo que se expresa por el mismo número que representa su masa; esto es, a la unidad de masa 1 Kg le corresponde la unidad de peso 1 Kg. Esto

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hace que los términos masa y peso se utilicen indistintamente al referirse a un cuerpo determinado, por lo que, frecuentemente, se confunden. La distinción entre masa y peso queda aclarada si pensamos que la masa de un cuerpo cualquiera es invariable lo mismo si la tenemos sobre la Tierra que si la imaginamos sobre la Luna o en un punto del espacio interestelar, mientras que su peso, prácticamente el mismo en cualquier sitio de la superficie de la Tierra, sería de una sexta parte escasamente en la Luna y nulo en el espacio interestelar. No obstante, su resistencia a cambiar su estado de movimiento sería la misma en cualquier lugar del espacio. Una persona de masa 73 kg cuyo peso en la Tierra será de 73 Kg, situada en la Luna, experimentaría la sensación de que pesaba únicamente I2 kg

Estados de Agregación de la Materia Según sus propiedades físicas, la materia puede dividirse en tres formas o estados: sólido, líquido, y gaseoso. Estas distintas formas están determinadas por el grado de condensación molecular, de ahí que la temperatura que aumenta la energía cinética de las moléculas pueda determinar cambios de estados de una misma sustancia; así por ejemplo, el agua puede encontrarse como hielo, líquido o vapor, conforme a la temperatura a que se somete. En el estado sólido, los espacios intermoleculares son menores que en el estado líquido, y en éste, a su vez, menores que en el gaseoso. 1 Características principales de cada estado

Sólidos

• Tienen forma propia y, algunos, regular • Prácticamente no se comprimen, por lo cual su volumen es constante • Su densidad es bastante próxima a la de los líquidos • No fluyen Líquidos

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• Adoptan la forma del recipiente que los contiene. • Se comprimen con dificultad, por lo que su volumen es prácticamente constante. • Son más densos que los gases. • Pueden fluir. Gases

• No tienen forma propia. • Se comprimen con facilidad y se expanden llenando el volumen del recipiente que los contiene. • Sus densidades son muy bajas comparadas con las de los líquidos y sólidos. • Pueden fluir. • Ejercen fuerzas sobre todas las paredes del recipiente que los contiene.

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CAMBIOS DE ESTADO

Fusión es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor. El proceso inverso es la solidificación y se produce por el enfriamiento de un líquido. Las temperaturas a que se funde o solidifica un cuerpo se denominan punto de fusión y punto de solidificación. Vaporización es el paso de un líquido al estado gaseoso. Si el cambio de estado se produce en la superficie del líquido, el fenómeno se denomina evaporación, pero si participan todas las moléculas de la masa líquida, se denomina ebullición. Licuefacción es el cambio de estado de gas a líquido y para ello es necesario comprimir el gas y enfriarlo por debajo de su temperatura crítica( no ocurre en condiciones normales). Sublimación es el pasaje directo del estado sólido al estado de vapor. Este cambio se produce con mayor velocidad aumentando la temperatura y disminuyendo la presión. El pasaje en sentido opuesto, es decir la solidificación de un vapor se obtiene por enfriamiento y compresión.

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Propiedades Intensivas y Extensivas Si las propiedades dependen de la cantidad de muestra investigada se denominan propiedades extensivas, tal como el peso, el volumen, el tamaño, etc. Si las propiedades no dependen de la cantidad de muestra investigada se denominan propiedades intensivas, tal como el , punto de fusión, punto de ebullición, densidad etc. Hay propiedades que pueden cambiar en una misma muestra, tal como la presión, la temperatura, el estado de reposo o de movimiento, la carga eléctrica, etc., y se designan como condiciones. La presión y la temperatura son cualidades muy importantes, pues siempre están adscritas a los cuerpos, determinando las propiedades de los mismos Propiedades físicas y químicas. Las distintas formas de materia se diferencian mediante ciertas cualidades que afectan directa o indirectamente a nuestros sentidos las cuales se denominan propiedades físicas y no afectan a la naturaleza intima de la materia. Si estas propiedades son características de un cuerpo determinado se llaman propiedades específicas tal como el color, olor, sabor, solubilidad, densidad, conductividad del calor y de la electricidad, brillo, transparencia, dureza, maleabilidad, ductilidad, estructura cristalina, punto de fusión, punto de ebullición, etc. Así, por ejemplo, el cobre, el oro y la plata se distinguen por su color; el agua, el alcohol y la gasolina por su olor; la sal y el azúcar, por su sabor; los carbonatos de sodio y de calcio, por su solubilidad; el plomo y el aluminio, por su densidad; el vidrio y el diamante, por su dureza, etc. Las propiedades químicas de los cuerpos se ponen de manifiesto cuando se transforman en otros distintos. La acción de los ácidos sobre la mayoría de los metales corresponde a una propiedad general de los ácidos. La combustión del carbón y la oxidación del hierro expresan una propiedad química de estos cuerpos al transformarse en otros distintos, Los métodos de determinación de las propiedades químicas de los cuerpos constituyen la base del análisis químico. Transformaciones físicas y químicas. Los cambios que experimentan las substancias son de dos clases, físicos y químicos. Un Cambio físico modifica algunas propiedades de la substancia pero no, hay motivos para suponer que se ha formado una nueva. Por el contrario, en los Cambios químicos, conocidos como reacciones, tiene lugar una modificación profunda de todas las propiedades del cuerpo, lo que obliga a suponer que se ha formado una nueva substancia. No existe una delimitación absoluta entre estas dos clases de transformaciones, pues hay diversos procesos que adquieren una significación intermedia. Si se electriza un pedazo de cobre, se imanta un trozo de hierro, se calienta una cierta masa de azufre o se comprime un volumen determinado de cloro, las propiedades físicas de estas substancias varían tan sólo en lo que respecta a la 7

modificación producida y en una extensión que depende de ella, pero las propiedades físicas de estas substancias permanecen inalteradas; ha tenido lugar en cada caso un fenómeno físico. Si se llega a fundir el pedazo de azufre o si el cloro se licua, las propiedades físicas cambian totalmente pero el comportamiento químico del azufre fundido o el del cloro líquido es el mismo que el del azufre sólido o el del cloro gaseoso, por lo que el proceso de fusión o el de licuación es también un cambio físico que afecta únicamente al estado de agregación de la substancia correspondiente.

Cl2 (g)→Cl2(l) En cambio, si se calienta óxido mercúrico, polvo rojo, en un tubo de ensayo, se desprende oxígeno y en la parte superior del tubo se condensa mercurio en forma de minúsculas gotas; ha tenido lugar un cambio químico.

ᴓ 2HgO(s)→O2(g) +2Hg(l) Los procesos físicos y químicos se diferencian fundamentalmente en los siguientes aspectos: 1) Los cambios químicos van acompañados por una modificación profunda de las propiedades del cuerpo o cuerpos reaccionantes; los cambios físicos dan lugar a una alteración muy pequeña y muchas veces parcial de las propiedades del cuerpo. 2) Los cambios químicos tienen casi siempre carácter permanente mientras que, en general, los cambios físicos persisten únicamente mientras actúa la causa que los origina. 3) Los cambios químicos van acompañados por una variación importante de energía mientras que los cambios físicos van unidos a una variación de energía relativamente pequeña y como consecuencia se puede decir que un cambio físico es un proceso reversible y un cambio químico es irreversible. Así, por ejemplo, la formación de 1 g de agua a temperatura ambiente, a partir de hidrógeno y oxígeno, desprende cerca de 3800 calorías, H2 (g)+1/2 O2(g) → H2O(g) Mientras que la solidificación a hielo de 1 g de agua o la condensación a agua líquida a 100 ºC de 1 g de vapor de agua desprende tan sólo, respectivamente, cerca de 80 ó de 540 calorias. H2O(g)→ H2O(l) Mezclas, disoluciones y substancias puras

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La materia puede presentarse en dos formas distintas: mezcla o sustancias puras:

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Mezclas Mezclas Homogénea, si es completamente uniforme, esto es, que sus propiedades físicas y composición sean las mismas en cualquier punto de la misma. Heterogénea, si está formada por dos o más porciones diferentes, separadas por superficies definidas a través de las cuales las propiedades cambian bruscamente. Un material heterogéneo es una mezcla y cada porción homogénea de la misma constituye, desde el punto de vista químico, una fase. Así, por ejemplo, un trozo de granito aparece moteado e incluso a simple vista pueden observarse en él tres clases distintas de cuerpos; unas partículas minúsculas, obscuras y brillantes que son de mica, unos fragmentos pequeños, duros y transparentes que son de cuarzo y unos cristales oblongos, translúcidos y grisáceos que son de feldespato .Cada fase de una mezcla presenta sus propiedades características y, en general, pueden separarse unas de otras por medios mecánicos. Una mezcla de azufre y hierro de color negruzco amarillento puede diferenciarse a simple vista o mediante la lupa o el microscopio, observándose las partículas amarillas de azufre y las grises obscuras de hierro. Las sustancias puras

Las sustancias puras o cuerpos puros son aquellos que presentan composición y propiedades constantes en cualquier parte de una muestra determinada. Pueden encontrarse como : Sustancia pura Elemental o Elementos o Sustancia pura compuesta o Compuesto.

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Sustancia Elemental :Elemento Quimico El oxígeno, el hidrógeno, el cloro, el sodio y el carbono, no pueden descomponerse en otros cuerpos más sencillos y se denominan substancias elementales o elementos, lo que significa que son constituyentes elementales de toda la materia En la radioactividad natural, algunos elementos se descomponen en otros distintos. En estos casos se consideran dichos elementos como tales y se habla de desintegración de los elementos radioactivos más que de descomposición ya que los procesos que tienen lugar son de grado muy superior al de las transformaciones químicas corrientes. Actualmente ha podido controlarse la transmutación de unos elementos en otros, pero utilizando métodos físicos especiales.

Las substancias elementales o elementos son aquellas substancias que no pueden descomponerse en otras más sencillas por los medios químicos habituales. De los 109 elementos actualmente conocidos, 21 han sido producidos artificialmente en estos últimos años y no se han encontrado en la naturaleza. De los 88 elementos naturales restantes, muchos se hallan en proporción tan pequeña que parece existen tan sólo por excepción. Unos pocos elementos, como el oxígeno, el nitrógeno, el carbono, el oro, la plata y el platino, entre pocos más, se encuentran en estado libre o sin combinar; los otros existen combinados. Muchos de los elementos como el hierro, oro, cobre, plata, mercurio, plomo, aluminio, níquel, estaño, azufre, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, carbono, cinc, helio, radio y uranio nos son familiares, pero esta familiaridad no quiere decir que sean los más abundantes. El elemento que por su abundancia en la corteza terrestre ocupa el segundo lugar, después del oxígeno, continuamente estamos en contacto con muchos de sus compuestos. Este elemento es el silicio, básico en la industria electrónica, el cual forma parte de la arena, vidrio, cemento, arcilla, carborundo, asbesto, mica y demás silicatos. Un 47 % aproximadamente de la arena del desierto está constituida por silicio. Sustancias Compuestas :Compuesto quimico Cuando los elementos se combinan se forman los compuestos :por ejemplo H2O, CO2 , NH3 etc.

Las substancias que pueden descomponerse por medios químicos apropiados en dos o más sustancias elementales se denominan compuestos. Los compuestos, análogamente a las mezclas, están constituidos por dos o más cuerpos diferentes, pero se diferencian esencialmente de éstas en los siguientes extremos: a) Los componentes de las mezclas pueden separarse por medios físicos, pero los constituyentes de los compuestos, no. b) Las mezclas tienen las propiedades de sus componentes, pero los compuestos poseen sus propiedades específicas correspondientes.

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c) Las mezclas pueden existir en cualquier proporción mientras que los compuestos se forman a partir de los elementos en proporción invariable. d) La formación o descomposición de un compuesto va siempre unida a un desprendimiento o absorción de calor, mientras que para una mezcla el efecto calorífico es nulo o en todo caso, muy pequeño comparado con el del compuesto. A menudo los Sustancias elementales se suelen presentar en la naturaleza como agrupaciones distintas del mismo átomo, se habla de formas alotrópicas o comúnmente conocidos como sustancias simples : (a) O2 , O3, (oxigeno, ozono ) (b) Anillos y cadenas (S8, Sn) (c) Cadenas y láminas (fósforo rojo y negro, aparte del denominado blanco P4) (d) Diamante, grafito, carbón y fullereno (figura)

Grafito

Diamante

Láminas de átomos de C Sistema Material Cuerpo o conjuntos de cuerpos que se aísla real o imaginariame nte para su estudio

Sistema Homogéneo Sistema formado por una sola fase (monofásico). Fase: Es una porción de materia con las mismas propiedades intensivas.

Fullereno C60

Tetraedros de átomos de C Sustancia Pura Sistema homogéneo que no se puede fraccionar con procedimientos físicos. Imagen: sal, azúcar, clavos de hierro

Simple Sustancia pura que no se puede descomponer en otras. Está formada por moléculas constituidas por uno o más átomos del mismo elemento. Imagen: clavos de hierro, azufre

Imagen: Vaso con agua coloreada, sal.

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Compuesta Sustancia pura que se puede descomponer en otras. Está formada por partículas constituidas por dos o más átomos distintos. Imagen: agua, azúcar.

Solución Sistema homogéneo constituido por dos o más componentes. Imagen: solución acuosa dedicromato de potasio.

Soluto Sustancia en menor cantidad dentro de la solución. Tiene la propiedad de disolverse. Imagen: dicromato de potasio

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Solvente Sustancia cuyo estado físico es el mismo que el que presenta la solución. Tiene la propiedad de disolver. Imagen: Vaso con agua.

Sistema Heterogéneo Es un sistema formado por dos o más fases. Las propiedades intensivas varían dentro del sistema.

Dispersión Grosera Sistemas heterogéneos visibles a simple vista.

Imagen: Trozos de distintos metales (aluminio, plomo,estaño).

Imagen: vaso de agua y aceite vaso de agua y tierra.

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Dispersión Fina Sistema heterogéneo visible al microscopio. Ejemplo:

Suspensiones Dispersiones finas donde la fase dispersante es líquida y la fase dispersa sólida. Ejemplo: glóbulos rojos

humo

Emulsiones Dispersiones finas con ambas fases líquidas. Imagen: mayonesa

Dispersión Coloidal Sistema heterogéneo no visible al microscopio, pero sí al ultramicroscopio.

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