Química para Ingeniería - 2020 PDF

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Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 MINISTERIO DE CULTURA Y EDUCACIÓN Universidad Nacional de San Juan QUIMICA Departamento Ingeniería Química Facultad de Ingeniería - UNSJ UNIDAD 1 LA MATERIA Mag. Ing. Virginia Ruiz. 1 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 ¡Atención!: Este documento ha sido confeccionado para ser una guía de los contenidos de la unidad. Es posible que no se alcance a tratar cada tema con la profundidad que se merece. El alumno debe consultar en la biografía indicada para más explicación y ampliación de los temas tratados. Unidad Nº 1. LA MATERIA Química. Ciencia. Tecnología y Sociedad. Concepto de materia. Estados de la. materia. Composición de la materia. Propiedades de la materia. Cambios de estado. Mezclas homogéneas y heterogéneas Química. Ciencia. Tecnología y Sociedad La química es el estudio de la materia, sus cambios y comportamiento. La química ha llegado a ser una ciencia interdisciplinaria tanto que la mayoría de los trabajos científicos hacen uso de ella. La medicina y la biología realizan sus investigaciones y aplicaciones donde la química juega un papel preponderante, tales como: cirugía con anestesia, vacunas y antibióticos. En el campo de la agricultura y alimentos: cultivos modificados genéticamente, pesticidas y fertilizantes especializados. En el campo de la tecnología de los materiales la química hace sus aportes en: Polímeros, cerámicos y cristales líquidos, superconductores, etc. En Energía y Medio ambiente, la química ayuda a mejorar y optimizar el uso de los combustibles fósiles, energía solar, energía nuclear en el marco de un desarrollo sustentable donde se estudia el control de emisiones al medio ambiente y la disposición final de los residuos. La química en la Ingeniería. Los Ingenieros trabajan con materiales tales como: cemento, cal, yeso, hierro, plásticos, asfaltos, metales conductores, semiconductores, petróleo y productos derivados, alimentos, etc. Estos materiales tienen una composición química de la cual derivan sus propiedades físico-químicas que hacen que sean aptos para ser usados en sus diversas aplicaciones. Por ejemplo, el fraguado del cemento, así como el de las cales y los yesos consiste en una serie de reacciones químicas entre sus componentes y el agua en el caso de los cementos, y con el aire en los otros dos casos. La cinética química estudia la velocidad de las reacciones químicas y los factores que la afectan. Los suelos y las aguas también tienen propiedades químicas que se deben conocer antes de comenzar con algún emprendimiento, por ejemplo, la acidez o alcalinidad (medidas por el pH); la dureza del agua (cantidad de sales de calcio y magnesio); etc. Los hierros y aceros usados en la construcción, maquinarias, y equipos industriales c sometidos a los efectos del aire o al agua o a soluciones corrosivas, sufren un proceso de corrosión que no es más que una reacción química de óxido-reducción que se puede estudiar y controlar mediante diferentes métodos. La siguiente nota es una opinión periodística a cerca de la química: 2 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 “El futuro será pura química” “Quienes trabajan para que el mundo no se acabe y buscan soluciones sustentables para la vida cotidiana dicen que la respuesta está en la química. La tabla periódica se mete en zapatillas, autos y caminos.” La ciencia clásica acaba de demostrar que el futuro para un mundo sustentable no está en un programa de software, ni en un algoritmo matemático que salve los negocios mundiales, ni en una supercomputadora, ni mucho menos en las leyes económicas de un Premio Nobel: está en la química, esa disciplina odiada por muchos estudiantes secundarios y que hoy pide revancha. Si tenemos en cuenta que para 2050 seremos nueve mil millones de habitantes, las predicciones apocalípticas no parecen ser de ficción. "Si no hay un cambio, en pocos años se necesitarán casi tres planetas como el nuestro para satisfacer las demandas de la población. En este escenario, las innovaciones basadas en la química van a desempeñar un papel fundamental", explica Alfred Hackenberger, presidente de BASF para América del Sur, que cuenta, solo en la región, con más de seis mil patentes de innovaciones exclusivas. Esto es lo que se viene: Celdas solares orgánicas Las celdas fotovoltaicas orgánicas constituyen una tecnología nueva para generar electricidad a partir de la luz solar. A diferencia de los paneles tradicionales, estas celdas captan y almacenan la energía con una nueva fisonomía porque pueden ser coloridas, transparentes y hasta se las puede aplicar a films adherentes y pinturas. Generan electricidad aun con el cielo nublado. Pantallas del futuro La tecnología OLED (Organic Light Emitting Diode) utiliza diodos (componente que permite la circulación de la corriente eléctrica) orgánicos que generan luz propia como resultado de una estimulación eléctrica. Gracias a sustancias químicas basadas en cadenas de carbono e hidrógeno, esta tecnología es considerada el siguiente paso en la evolución de los monitores. Sus ventajas son: pantallas más delgadas, flexibles y hasta transparentes, con mayor nivel de contraste y brillo, y consumo del 50% de la energía de un monitor LED tradicional. Zapatillas PU La innovación, en este caso, implica la fabricación del primer calzado completamente en poliuretano (resina sintética de alta resistencia). De esta manera, se reemplazan los componentes típicos de los zapatos urbanos, de trabajo y zapatillas: la goma (materia prima de baja base ecológica porque no es renovable), el PVC (policloruro de vinilo, que contiene componentes tóxicos) y la goma EVA (que en comparación con el poliuretano ha demostrado menos resistencia, hasta un 35% menos de vida útil. Smart for Vision En combinación con Mercedes Benz, se presentó el prototipo de automóvil eléctrico Smart for Vision. Aquí se han combinado cinco máximas de la industria automotriz: celdas solares orgánicas transparentes que recubren todo el automóvil (y generan la energía para el circuito de luces y audio), diodos emisores de luz orgánica transparente en el techo solar, primera llanta completamente plástica adecuada para producción en serie, espumas de poliuretano de alta performance para aislamiento térmico y películas reflectivas de rayos infrarrojos para los cristales Caminos permeables El invento es sencillo, pero hasta este momento a nadie se le había ocurrido: combinar el poliuretano (y hacerlo funcionar como pegamento) con agregados minerales para construir una superficie abierta, porosa y de gran resistencia al alto tránsito de personas. Se puede hacer en piedra molida e incorporar mármol granulado de alto grado, cuarzo, granito y hasta vidrio molido. Se utiliza para la construcción de sendas, espacios abiertos y parques y permite el manejo sostenible del agua de lluvia, ya que es permeable y facilita el drenaje hacia napas subterráneas.” http://www.conexionbrando.com/1546239. 3 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 Concepto de materia. Materia: es todo lo que ocupa un lugar en el espacio, tiene masa y duración en el tiempo. En la física moderna se considera materia a todo aquello que es parte del universo que tiene asociado una Masa: medida de la energía y que se manifiesta mediante algún fenómeno cantidad de materia. medible en el espacio-tiempo. Por lo tanto, como materia, En el sistema se incluye también aquellas entidades y campos que internacional (SI), la tienen energía pero que no tienen masa. unidad de masa es el Kg Un sistema material es una porción de materia que se aísla para ser estudiado. Una substancia es una forma de materia que tiene una composición dada y propiedades intensivas específicas que la distinguen de otras (ver propiedades intensivas más adelante). Estos son algunos ejemplos de sustancias: azúcar agua Oro Las sustancias pueden ser simples o compuestas. Una sustancia simple tiene todos los átomos del mismo elemento, mientras que las sustancias compuestas o compuestos químicos tienen átomos de al menos dos elementos diferentes. Las sustancias simples se pueden presentar de dos maneras; en forma elemental ,como el hierro (Fe), la plata (Ag), el oro(Au), o en forma de moléculas como el oxígeno O 2, el nitrógeno (N2), etc Un elemento químico es una sustancia formada por un solo tipo de átomos. Un elemento no puede ser separado en substancias más simples por medios químicos. Se encuentran naturalmente en la Tierra un total de 90 elementos. Por ejemplo: oro, aluminio, oxigeno, carbón, etc. Además, más de 30 elementos químicos han sido obtenidos artificialmente por los científicos mediante el bombardeo de partículas, como por ejemplo: el Americio, el Polonio, etc. Los elementos químicos se representan mediante símbolos que son combinaciones de letras, de las cuales la primera es siempre mayúscula. Un compuesto es una sustancia constituida por átomos de dos o más elementos químicos unidos en proporciones fijas definidas. Los compuestos sólo pueden ser separados en los elementos químicos que los forman mediante medios químicos. Los compuestos químicos se representan mediante fórmulas químicas. 4 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 Elementos Químicos dispuestos en la Tabla Periódica: (Puede bajar en su celular cualquier app disponible de Tabla Periódica) Propiedades de la materia Las propiedades de la materia se pueden clasificar en propiedades químicas y propiedades físicas. Las propiedades químicas son aquellas que se manifiestan cuando cambia su composición al transformarse en otra. Por ejemplo, algunos elementos tienen la propiedad de ser muy reactivos, como los elementos del grupo I de la Tabla periódica Mientras que otros son muy inertes, como los gases nobles. Algunos elementos cuando reaccionan con el agua forman hidróxidos, otros no lo hacen. Otra propiedad química muy considerada es la reacción de cada elemento frente al oxígeno. En resumen: Una propiedad química es la capacidad o incapacidad de una muestra de materia para experimentar un cambio en su composición bajo ciertas condiciones. (Petrucci) Las propiedades físicas son intrínsecas de cada materia en especial. Se pueden determinar y medir sin cambio En los libros en la composición de la materia. Ejemplos de sugeridos puede leer más explicación y propiedades físicas son: color, dureza, maleabilidad, ejemplos fragilidad, densidad, punto de ebullición, punto de fusión, presión de vapor, solubilidad, estado físico (sólido, líquido o gas), magnetismo, etc. Resumiendo: Una propiedad física es una propiedad que una muestra de materia tiene mientras no cambie su composición. (Petrucci) Las propiedades físicas a su vez se clasifican en propiedades extensivas e intensivas. Propiedades extensivas e intensivas de la materia Una propiedad extensiva de una substancia depende de la cantidad total de materia considerada. 5 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 Propiedades extensivas son: La masa, longitud, volumen, etc. Por ejemplo, en un sistema  total de la mezcla será igual a la material compuesto por mezcla de substancias, la masa suma de las masas individuales de cada substancia.  Una propiedad intensiva de un material no depende de la cantidad total de  materia considerada. Son ejemplos de propiedades intensivas: densidad, concentración, color, potencial de reducción, etc. Así es que, unos pocos mL de pintura tendrán el mismo color que el resto de la pintura que queda en el tarro. O una cucharada de aceite, tiene la misma densidad que 1L del mismo aceite. Un ejemplo de propiedad intensiva es la DENSIDAD de los materiales. La densidad es la relación entre la masa y el volumen ocupado por esa masa. Las unidades de densidad en SI (sistema internacional) son Kg/m3 aunque los químicos suelen usar con mayor frecuencia las unidades g/cm3 o g/mL Densidad δ = La densidad depende de la temperatura ya que el volumen depende de esta. A mayor temperatura, mayor es el volumen que ocupa la materia por lo tanto la densidad baja. Por ejemplo, una solución En la práctica de lab2 asfáltica (o un aceite) es menos densa si se calienta. Este se determinará la densidad de efecto se manifiesta en mayor proporción en los gases, diferentes sustancias luego los líquidos y en menor grado en los sólidos. Densidad y temperatura son inversamente proporcionales: más temperatura implica menor densidad. Este efecto de la temperatura en la densidad tiene una característica particular en el caso del agua. Debido a la presencia de enlaces entre las mismas moléculas de agua llamados “puentes de hidrógeno”, la densidad tiene un comportamiento “anormal”: a 4ºC la densidad del agua es la máxima (1g/cm3), y a menor temperatura la densidad es ligeramente menor. Este fenómeno inusual es lo que permite que el hielo flote en el agua líquida en lugar de irse al fondo, evitando de esa manera la muerte de la flora subacuática. Estados de la materia La materia se puede encontrar en diferentes estados físicos: sólido, líquido o gas según la temperatura y presión a la que está sometida. En los sólidos, las moléculas se mantienen unidas dentro de una red organizada y con una Sólido Líquido Gas movilidad muy escasa. En los líquidos, las moléculas se encuentran cercanas unas de otras, pero gozan de cierta movilidad lo que hace que el líquido tome la forma del recipiente que lo contiene. En los gases, en cambio, las moléculas están separadas entre sí con una gran movilidad ocupando todo el espacio del recipiente que lo contiene, o se dispersa si se encuentra en el aire. 6 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 El cambio del estado sólido al líquido se denomina fusión. El inverso, de líquido a sólido, se denomina solidificación o congelación. El cambio del estado líquido al estado de vapor, se denomina evaporación, el cual se produce a cualquier temperatura. Cuando un líquido hierve, se encuentra en su punto o temperatura de ebullición que para el agua a 1 atm. de presión son 100ºC. El proceso inverso, del vapor a líquido se denomina condensación. El cambio de estado sólido a gas se denomina sublimación. Esto ocurre en el agua, pero también es más conocido en el caso de otras sustancias cotidianas como la naftalina, alcanfor y el vapor del “hielo seco” que es el estado sólido del CO2. El proceso inverso, esto es desde el estado de vapor o gas al estado sólido, se denomina deposición. Fenómenos Físicos Un cambio físico o fenómeno físico no altera la identidad de una substancia. ( Luego de un cambio físico, la substancia sigue teniendo la misma La “lluvia de oro”, un composición. No hay transformación de la materia. Así es que, si experimento el hielo se funde, el agua sigue teniendo su identidad, en un caso del Lab 2 para verificar sólida y en el otro líquida pero agua al fin. Cuando se disuelve cambios químicos y azúcar en agua, las dos sustancias siguen permaneciendo como físicos tales, solamente hay una dispersión de una en la otra. La mayoría de los procesos necesarios para la separación de los componentes de una mezcla de substancias involucran cambios físicos como se verá más adelante. Fenómenos Químicos Un cambio químico altera la estructura o la identidad de las substancias involucradas. En este caso, una o más substancias se convierten en una o más substancias diferentes de las originales. Esto es una reacción química que puede representarse mediante una ecuación química. Por ejemplo cuando se quema hidrógeno, se produce una reacción química que puede ser representada por una ecuación química: 2H2 +O2 2 H2O 7 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 Los cambios químicos se pueden estudiar desde el punto de vista macroscópico o desde el punto de vista microscópico. Por ejemplo cuando se produce la corrosión de un clavo de hierro, se pueden observar los cambios macroscópicos a simple vista, como la aparición de herrumbre. Mientras que desde el punto de vista microscópico, la corrosión se estudia como una reacción entre los átomos de hierro con las moléculas de oxígeno del aire: Sistemas Materiales homogéneos y heterogéneos Una mezcla es una combinación de dos o más substancias puras en la que cada una conserva sus propiedades particulares. Una mezcla homogénea: la composición de la mezcla es la misma en cualquier punto. Por El Granito es Este queso es ejemplo: refresco, soldadura, leche homogeneizada. heterogéneo homogéneo Mezcla heterogénea: su composición no es igual en cualquier punto de la misma Ejemplos: cemento, limadura de hierro en arena. Los componentes de una mezcla pueden ser separados mediante procesos físicos. Algunos procesos físicos empleados para separar los componentes de una mezcla son puramente mecánicos ya que no producen cambios en el OJO! Los compuestos tienen fórmula estado de los componentes, entre ellos se encuentra química. la filtración, tamización, sedimentación, Las mezclas no tienen decantación, centrifugación, separaciones fórmula química magnéticas. Otros métodos físicos de separación se basan en aprovechar alguna propiedad física diferente (punto de fusión, punto de ebullición, etc.) entre los componentes de la mezcla, entre ellos, evaporación, destilación, cristalización, cromatografía. 8 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 EJEMPLOS DE PROCESOS DE SEPARACIÓN:  Separación Magnética: Con el uso de un imán se puede separar, por ejemplo una mezcla de hierro y arena debido a que uno de los componentes tiene propiedades magnéticas. Industrialmente con este método, se pueden concentrar minerales cuyos componentes tengan propiedades magnéticas, en tambores rotatorios como el que se muestra en la figura.  Filtración: Este es un método muy usado que aprovecha la diferencia de tamaño de partículas de una mezcla líquida o gaseosa, para separarlas al hacerla pasar por una membrana o filtro.  Decantación: Una mezcla se puede separar en sus componentes por decantación si existe entre ellos una marcada diferencia de densidades.  Sedimentación: Debido a la acción de la gravedad las partículas suspendidas en un líquido pueden separase naturalmente y depositarse en el fondo del recipiente que lo contiene. Este fenómeno se acelera dependiendo del diámetro o el peso específico de la partícula y la viscosidad del 9 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 líquido. En el caso que este proceso se aplique a la potabilización del agua, para facilitar la sedimentación se agregan sustancias coagulantes que recubren las partículas formando flóculos pegándose unas con otras y aumentando de tamaño.  Centrifugación: Cuando las partículas de una mezcla líquida son tan pequeñas que no alcanzan a sedimentar en un tiempo conveniente, se la somete a un movimiento de rotación, la fuerza centrífuga actúa sobre Centrífuga de lab Centrífuga industrial las partículas haciendo rápidamente que las más pesadas se separen de la mezcla sedimentando en el fondo o en la periferia del eje de rotación.  Destilación: Mediante la destilación se separan los componentes de una mezcla líquida aprovechando los diferentes puntos de ebullición de sus componentes, como por ejemplo, agua y alcohol. Con la destilación del petróleo se obtienen diferentes fracciones de sus numerosos componentes, como nafta, gasoil, etc Algunos procesos químicos: Ya se vio anteriormente algunos cambios químicos como la combustión de hidrógeno y la oxidación del hierro. En los seres vivos, la respiración, la fotosíntesis, la obtención de energía a partir de azúcares, la acción de las enzimas en los alimentos e innumerables procesos más, son todos cambios químicos. Mediante cambios químicos se pueden obtener en la industria diferentes tipos de materiales como medicinas, plásticos, gomas, metales, cemento, pinturas, etc. En el medio ambiente ocurren reacciones químicas entre los elementos presentes en el agua, aire o suelos ya sea que estos se encuentren en forma natural o sean provenientes de las contaminaciones provocadas por la actividad humana. 10 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 El smog fotoquímico por ejemplo, es la reacción química entre componentes del aire y los gases contaminantes. Otros ejemplos de procesos o cambios químicos son:  Electrólisis del agua: Este es un ejemplo de cómo un compuesto se puede descomponer en sus elementos. Mediante la aplicación de corriente eléctrica la molécula de agua se puede romper en hidrógeno y oxígeno: (más detalles se verán en la unidad de oxido- reducción)  Obtención de sustancias mediante reacciones químicas, por ejemplo la reacción de obtención de hidrógeno que se hará en el laboratorio mas adelante:  Obtención de electricidad mediante reacciones químicas: (más detalles se verán en la unidad de oxido- reducción) Pila de combustión : H2 + O2  2 H2O  Obtención de cales: La cal viva es obtenida a partir de la calcinación de la caliza (CaCO3) por la siguiente reacción: CaCO3→ CaO + CO2 La cal apagada se obtiene a partir de la cal viva haciendo una reacción con agua de la cual se desprende calor, es decir, esta reacción es exotérmica: CaO + H2O → Ca(OH)2  Obtención del cemento: El cemento se obtiene haciendo reaccionar en un horno rotatorio una mezcla de caliza y arcilla. Se producen una serie de reacciones obteniéndose silicatos y aluminatos de calcio en un producto llamado clinker al cual se muele y agregan otras sustancias, como yeso, para conferirle características especiales. 11 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020  Fraguado del cemento: Durante la construcción de una obra, se produce el fraguado del cemento contenido en un mortero u hormigón con el agregado de agua. El fraguado consiste en una serie de reacciones de hidratación de los diferentes componentes del cemento para la obtención de compuestos que solidifican formando un producto de consistencia pétrea: Como las reacciones son exotérmicas, para evitar que se produzca el resquebrajamiento durante el fraguado se realiza el curado mojando o inundando las superficies. Consulte la bibliografía para más explicación. Por dudas y preguntas no dude en venir a consultarnos a la Cátedra en los horarios de consulta. Título-Autor Editorial QUIMICA, Chang Mc Graw Hill QUÍMICA, Brown Prentice Hall QUÍMICA. Petrucci Pearson- Prentice Hall QUIMICA General, Whitten Mc Graw Hill Algunos ejercicios resueltos de la guía de ejercitación: 8) Completar el siguiente cuadro (con si / no): ¿Es un ¿Es un ¿Es una mezcla? Si es posible una elemento? compuesto? separación, ¿es a través de un cambio físico o químico? Aire no no si (es una mezcla Físico de gases) (Destilación) Barra de si no no no azufre Petróleo no no si (es una mezcla Físico de hidrocarburos) (Destilación) Agua potable no no Si (es una mezcla Físico de agua y sales) (Destilación, Ósmosis inversa) Agua no si no Químico destilada (Electrólisis) Cloruro de no si no Químico sodio (Electrólisis) Hierro si no no no 12 Química para Ingeniería – Mag. Ing. Virginia Ruiz Zanni - 2020 15) En la determinación de la densidad de una barra metálica rectangular un estudiante realiza las mediciones siguientes: 8,53 cm de longitud, 2,4 cm de ancho, 1,0 cm de altura y 52,7 g de masa. Calcular la densidad del metal. El volumen de este cuerpo es: lado x lado x lado= Volumen = 8,53cm x 2,4cm x 1,0 cm = 20,47 cm3 Entonces reemplazando en la fórmula de densidad: ⁄ En este caso, el objeto tiene forma regular por lo que el cálculo de su volumen se puede realizar sin ningún problema. En el caso que el cuerpo tuviera forma irregular, para calcular su volumen se realiza una estrategia para la cual se necesita un recipiente graduado con agua. El ejercicio siguiente es un ejemplo: 16) Se colocan 242ml de agua en una probeta graduada. Al introducir una pieza de plata metálica (Ag) cuya masa de 194,3 g, el volumen medido es de 260,5 ml. A partir de estos datos calcular la densidad de la plata (1ml=1cc) (Rta: 10,5 g/cm3) El volumen de agua desplazado en la probeta es igual al volumen de la pieza introducida. Por lo tanto el volumen de la pieza se puede calcular como: Entonces la densidad será: Nótese que usamos cm3 y no mL pues se trata de un sólido. 13