Fundamentos de Química - Universidad de San Carlos de Guatemala - PDF

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE AGRONOMÍA ÁREA DE CIENCIAS SUBÁREA DE CIENCIAS QUÍMICAS CURSO: QUÍMICA GENERAL I. PROFESOR: PEDRO ARMIRA A. **REVISEMOS NUESTROS FUNDAMENTOS DE QUÍMICA** **¿CÓMO SE ORIGINÓ LA QUÍMICA?** Los orígenes de la química se remontan desde la antigü...

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE AGRONOMÍA ÁREA DE CIENCIAS SUBÁREA DE CIENCIAS QUÍMICAS CURSO: QUÍMICA GENERAL I. PROFESOR: PEDRO ARMIRA A. **REVISEMOS NUESTROS FUNDAMENTOS DE QUÍMICA** **¿CÓMO SE ORIGINÓ LA QUÍMICA?** Los orígenes de la química se remontan desde la antigüedad, con el desarrollo de las artes prácticas: uso del fuego, de la piedra, de los metales (edad de piedra, edad del cobre, edad del bronce, edad del hierro); la fabricación de pan, de vino, cerámicas, tinturas, etc. Desde la época de los primeros filósofos griegos se creía que la naturaleza estaba compuesta por cuatro elementos: fuego, tierra, aire y agua. Con un ejemplo sencillo se trataba de explicar la composición de ciertos materiales; por ejemplo, al cortar una planta, del corte sale agua; entonces se deducía que estaba compuesto de agua. Si esa planta seca se quema, de ella saldrá fuego y humo, entonces se deducía que estaba compuesta de fuego y de aire, y como quedan cenizas, entonces se deducía que estaba compuesta de tierra. Luego se definieron dos corrientes acerca de la composición de la materia, los que proponían que la materia es continua y los que proponían que la materia es discontinua (atomistas). Después de la época de los griegos, se pueden definir varias etapas en el desarrollo de la química: la Alquimia de 1582-1649; los aportes de Robert Boyle 1627-1691; la teoría del Flogisto de G.E. Sthal 1660-1734 y todo lo propuesto después de Lavoisier (1772) se considera Química Moderna. ¿Qué más puede usted agregar a esta breve historia de la química? Anótelo en su cuaderno. Además investigue cuáles fueron los aportes que se produjeron en las etapas del desarrollo de la química que se acaban de mencionar. **¿QUÉ ESTUDIA LA QUÍMICA?** La química es la ciencia que estudia la materia y la energía y sus transformaciones. **¿Y QUÉ ES MATERÍA?** Es el material físico del universo. La materia tiene tres características fundamentales que son: 1) ocupa un lugar en el espacio; 2) posee masa, y 3) tiene energía. ¿Y qué cosas no son materia? La lista de cosas que son materia sería interminable, talvez sería más fácil terminar de hacer una lista de cosas que no son materia. Trate hacer los listados en su cuaderno. **¿Y QUÉ ES ENERGÍA?** Energía se llama a los diferentes tipos de movimiento de la materia. Tradicionalmente se ha definido la energía como la capacidad para realizar un trabajo o de producir cambios, tales como la posición o la temperatura de un objeto. Un objeto posee dos formas generales de energía: la energía cinética o la energía de un cuerpo en movimiento y la potencial o la energía almacenada. ¿A qué tipo corresponderá la energía química? ¿Cómo se podrán clasificar las llamadas energía eléctrica, calórica, lumínica, etc? Describa estos y otros tipos de energía en su cuaderno. Investigue y describa en su cuaderno a que se denomina energía limpia y a que se denomina energía renovable. **¿ENTONCES LA QUÍMICA LO ESTUDIA CASI TODO?** Es imposible que una sola ciencia se encargue del estudio de todo; por eso la química se encarga de centrar su estudio en lo siguiente. 1. **La composición:** a la química le interesa saber de que tipo de elementos y partículas están hechas las cosas (cuerpos o porciones definidas de materia). 2. **La estructura:** trata de explicar cual es la disposición de los componentes de los cuerpos. 3. **Las propiedades físicas:** es decir todas aquellas cualidades o características particulares de los cuerpos que permiten identificarlos y diferenciarlo de otros sin que estos experimenten cambios en su identidad o composición. Entre estas propiedades se incluyen: color, olor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico, conductividad, dureza, etc. Todas estas propiedades no dependen de la cantidad de muestra que se está examinando. Las propiedades extensivas de las sustancias dependen de la cantidad de la muestra e incluyen mediciones de la masa, el volumen, el contenido entálpico, etc. 4. **Las propiedades químicas:** todo aquello que le permite a las sustancias convertirse en sustancias diferentes a las originales. Por ejemplo, una propiedad química común es la capacidad de una sustancia para arder en presencia de oxígeno (inflamabilidad), también puede ser común para muchas sustancias la oxidación, la hidrogenación, la nitración, la halogenación, etc. 5. **Las transformaciones:** esto incluye los cambios físicos y los cambios químicos. Durante los cambios físicos una sustancia varía en su apariencia física; pero no en su composición. La evaporación del agua es un cambio físico; ya que sólo cambia su estado, pero sigue siendo agua. Todos los cambios de estado son cambios físicos. ¿Qué otro tipo de cambios físicos podemos mencionar? Escriba otros ejemplos. En los cambios químicos una sustancia se transforma en otra u otras sustancias químicamente distintas. Por ejemplo, la combustión completa de compuestos orgánicos da como productos finales dióxido de carbono y agua. 6. **Las causas que provocan las transformaciones:** esto está referido tanto a la materia como a la energía. **Descripción de algunas propiedades físicas muy empleadas en Química** La temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión ejercida sobre el líquido (presión atmosférica, a menos que el vaso que contiene el líquido esté cerrado) se llama **punto de ebullición** del líquido. A medida que se eleva la temperatura de un líquido, se aumenta la presión de vapor. Cuando la presión de vapor es igual a la presión atmosférica, dentro del cuerpo del líquido se forman burbujas estables. Este proceso se llama ebullición. Una vez que la ebullición se inicia, la temperatura de líquido permanece en el punto de ebullición (tanto tiempo mientras se suministre calor suficiente). Debido a que la presión ejercida sobre un líquido puede variar, el punto de ebullición del mismo puede variar también. Por ejemplo, a 1.00 atm (la presión atmosférica promedio a nivel del mar) el punto de ebullición del agua es 100^0^C. Pero a 0.84 atm (la presión atmosférica promedio en el laboratorio de química), el punto de ebullición del agua es 96^0^C. El punto de ebullición normal de un líquido es el punto de ebullición a 1 atm. La temperatura a la cual un líquido puro cambia a un sólido cristalino, o sea que se solidifica, se denomina **punto de solidificación**. La temperatura a la cual un sólido cristalino cambia a un líquido o sea que se funde, se llama **punto de fusión**; es idéntico al punto de solidificación. La fusión o solidificación ocurren a la temperatura a la cual el líquido y el sólido están en equilibrio dinámico. A diferencia de los puntos de ebullición, los puntos de fusión solamente son afectados por cambios muy grandes de presión. El calor necesario para la fusión de un sólido se llama el **calor de fusión** (o entalpía de fusión) y se representa por ΔH. Para el hielo, el calor de fusión es 6.01 kJ por mol. El calor necesario para la vaporización de un líquido se llama **calor de vaporización** (o entalpía de vaporización). A 100^0^C, el calor de vaporización del agua es 40.7 kJ/mol. El funcionamiento de un refrigerador se basa en el efecto de enfriamiento que acompaña a la vaporización. El mecanismo contiene un gas encerrado que se puede licuar bajo presión, por ejemplo amoníaco o diclorodifluorometano (freón-12) CCl~2~F~2~. A medida que se evapora el líquido, absorbe calor y así enfría el medio a su alrededor (el espacio interior del refrigerador). El gas de la evaporación es reciclado a un compresor y después a un condensador, en donde es licuado de nuevo. El calor deja el condensador, y se transfiere al aire circundante. **LA MATERIA SE CLASIFICA EN BASE A LA FORMA EN QUE SE PRESENTA.** La materia en el universo puede existir en tres estados. Todos los elementos pueden existir en tres estados; pero hay muchos compuestos que sólo pueden existir en estado sólido y cuando mucho en estado sólido y líquido. **¿Qué características tienen los Estados de la Materia?** **Los sólidos:** los materiales sólidos tienen forma y volumen definido; su difusión y su energía cinética es más baja que la de los líquidos, son incompresibles y poseen densidad mayor que la de los líquidos y gases. **Los líquidos:** los líquidos no poseen forma definida, pero si volumen definido. La difusión de los líquidos es mayor que la de los sólidos y menor que la de los gases. La energía cinética de los líquidos es intermedia entre la de los sólidos y las de los gases. Son prácticamente incompresibles; pero poseen densidad mayor que la de los gases. **Los gases:** los gases no poseen ni forma ni volumen definidos, adquieren la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Poseen una mayor difusión que los líquidos y su energía cinética también es mayor que la de estos, pudiendo sus moléculas alcanzar velocidades que van de 600 -- 6,000 km/h. Son fácilmente compresibles, pero poseen densidades menores que la de los líquidos. Trate de representar esquemáticamente (utilizando figuras o dibujos) las características de cada uno de los estados de la materia. **¿Cómo se pueden explicar los cambios de estado?** Las sustancias cambian de estado bajo varias condiciones de temperatura y de presión. Los gases son fluidos compresibles. De acuerdo con la teoría cinético-molecular, los gases están compuestos de moléculas o de átomos separados que están en constante movimiento al azar, a través de casi todos los espacios vacíos (a menos que el gas esté sumamente comprimido). Un gas es fácilmente compresible porque las moléculas pueden ser introducidas a un espacio menor. Un gas es un fluido porque las moléculas individuales se pueden mover entre ellas con relativa facilidad. Los líquidos son fluidos prácticamente incompresibles. Este estado de la materia también lo podemos explicar por la teoría cinético-molecular. De acuerdo con esta teoría, las moléculas de un líquido están en constante movimiento al azar (como en un gas), pero están empacadas más compactamente, de modo que el espacio libre es mucho menor. Debido a que las moléculas se pueden mover en relación unas con otras como en un gas, un líquido puede fluir (es un fluido). Pero la falta de espacio vacío explica por qué un líquido, a diferencia de un gas, es casi incompresible. Los sólidos son incompresibles y son rígidos, no fluidos. Por explicar esto, la teoría cinético-molecular dice que las partículas que forman un sólido (las cuales pueden ser átomos, moléculas o iones) se hallan en contacto estrecho y (a diferencia de las de un gas o de un líquido) no se mueven, sino que oscilan o vibran respecto a sitios fijos. Esto explica la rigidez de un sólido. Y, desde luego, la estructura compacta explica su incompresibilidad. Al aumentar la temperatura, se hace mayor la energía cinética del movimiento molecular, y aumenta la presión de vapor. Los líquidos y sólidos con presión de vapor elevada reciben la denominación de volátiles. El cloroformo y el tetracloruro de carbono son líquidos volátiles. El naftaleno, C~10~H~8~ y el para-diclorobenceno, C~6~H~4~Cl~2~, son sólidos volátiles; tienen una presión de vapor apreciable a la temperatura ambiente. Ambos son utilizados para combatir a la polilla. **¿Cómo se denominan los cambios de estado?** **Fusión**: es el cambio de un sólido al estado líquido (también se le llama derretimiento). Escriba dos ejemplos en su cuaderno. **Solidificación**: es el cambio de un líquido al estado sólido. La congelación del agua líquida a hielo es un ejemplo común. ¿Cuál podría ser otro ejemplo? **Vaporización**: es el cambio de un líquido a vapor. El cambio de un sólido directamente a vapor se denomina **Sublimación**. Aunque la presión de vapor de muchos sólidos es muy baja, algunos (usualmente sólidos moleculares) tienen presión de vapor apreciable. La sublimación se puede utilizar para la purificación de sólidos que se vaporizan rápidamente. Por ejemplo, una infusión de café se congela y se coloca en un vacío para eliminar el vapor de agua. El hielo continúa sublimando hasta que ha desaparecido todo, dejando el café seco por congelación. El secado por congelación de un alimento (o de infusión de café) se obtiene poniendo el alimento congelado en un vacío (abajo de 0.00603 atm) de modo que el hielo en él sublime. Debido a que el alimento se puede secar a temperatura inferior a la temperatura que se secaría en caliente, retiene más su sabor y con frecuencia se puede reconstituir por una simple adición de agua. Trate de investigar otro ejemplo y descríbalo en su cuaderno. **Condensación:** Es el cambio de un gas, al estado líquido o al estado sólido (el cambio de vapor a sólido se llama algunas veces **deposición**). El rocío es agua líquida formada por condensación del vapor de agua de la atmósfera. La escarcha es agua sólida formada por condensación directa del vapor de agua de la atmósfera sin haber formado primero agua líquida. La nieve se forma por un proceso similar en la atmósfera superior. Cuando una sustancia que normalmente es un gas, por ejemplo bióxido de carbono, cambia al estado líquido, el cambio de fase se denomina a menudo licuefacción. Elabore un diagrama (esquema o dibujo) donde se puedan observar los cambios que experimenta la materia. Escriba los nombres correspondientes a cada uno de esos cambios. **Ejercicio:** Escriba las palabras que hacen falta, para completar la información del cuadro que aparece a continuación. **[CAMBIOS DE FASE]** **NOMBRE** **[EJEMPLOS]** ----------------------------------- -------------------------- ------------------------------------------------------------- Fusión, derretimiento Fusión de la nieve y del hielo Sólido gas Sublimación del hielo seco, secado por congelación del café Líquido sólido Congelación Líquido gas Vaporización Gas líquido Formación de rocío, licuefacción del bióxido de carbono Condensación, deposición Formación de escarcha y de nieve **La materia también se clasifica en base a su composición.** 1. **Material Heterogéneo**: se denomina cuando el material no presenta las mismas características en toda su extensión, es decir, es una mezcla de sustancias que presenta más de una fase. Como ejemplo de este tipo de material se pueden mencionar: el suelo, las rocas y la leche entera. 2. **Material Homogéneo**: el material homogéneo se puede presentar como mezclas homogéneas y como sustancias puras. Las mezclas homogéneas presentan las mismas características en toda su extensión, es decir sólo presentan una fase; como ejemplo de estas se pueden mencionar: el aire, que es una mezcla de gases (nitrógeno y oxígeno principalmente); los sueros, que son una mezcla de agua y sal o agua y azúcar. Las mezclas homogéneas pueden convertirse en sustancias puras mediante proceso físicos de purificación. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos. Según la tabla periódica se han podido encontrar hasta el momento 118 elementos químicos. Los compuestos se producen cuando los elementos se combinan en proporciones definidas; debido a ello es que mediante cambios químicos, los compuestos se pueden convertir en elementos. **Para Cerrar la Primera Unidad.** Con la idea de revisar y repasar los contenidos de la primera unidad se le ruega leer detenidamente la información que se presenta a continuación y se le solicita realizar las tareas que allí se describen. Como la actividad debe realizarse en grupos, es importante que se produzca intercambio de información, para que al final todos puedan contar con suficiente información para poder hacer conversiones utilizando el método del factor unitario equivalente. **Trabajo de Campo** **1. Objetivos** Con la finalidad de aplicar algunos contenidos sobre materia, energía y unidades de medida en actividades agrícolas y forestales se le solicita realizar esta tarea, la cual tiene como objetivos específicos los siguientes. - - - - - - - - - - **2. Metodología** Para el desarrollo correcto de esta tarea se le ruega realizar las siguientes actividades. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. ***MASA VRS PESO*** El peso es una fuerza y se usa como una medida de la masa, el peso de un cuerpo puede variar, pero su masa permanece constante. **EL ENFOQUE CIENTÌFICO** ***Ley:*** afirmación actual o una ecuación matemática que expresa en forma sumaria una gran variedad de observaciones y experiencias. ***Hipótesis:*** explicación tentativa que sirve para hacer deducciones que puedan probarse con experimentos posteriores y ser desechados o verificados. ***Teoría:*** sirve para unificar un área extensa y suministrar bases para explicar algunas leyes. **PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS** **1*.Extensivas:*** son las que dependen únicamente de la parte de la sustancia que observamos; es decir, son casuales. Ejemplo: tamaño, forma, peso y temperatura. ***2.*** ***Intensivas:*** son todas aquellas propiedades características de las sustancias, dependen de la composición y estructura interna de las mismas. ***2.1 Físicas:*** son aquellas que aún y cuando las sustancias experimentan algún cambio, estas no se transforman en otras sustancias. Ejemplo: *color, dureza, densidad, conductividad del calor y electricidad, punto de fusión, punto de ebullición, brillo, transparencia, ductilidad, calor específico, etc.* ***2.2. Químicas:*** son aquellas que permiten que una sustancia se transforme en una o mas sustancias totalmente diferentes a la original. Ejemplo: *oxidación, solubilidad, hidrogenación, etc.* **Propiedades de la Materia.** De acuerdo con la siguiente descripción clasifique cada propiedad o característica como intensiva o extensiva: "la muestra amarrilla es sólida a 25^0^C. Pesa 6.0gramos y tiene una densidad de 2.3gramos/cm^3^". **RELACIÓN ENTRE ENERGÍA Y MASA** E = mc^2^ Donde: E = energía (en ergios) m = masa (en gramos) c = velocidad de la luz (2.998x10^10^ cm/s) ***átomo:*** es la parte mas pequeña de un elemento que posee todas las características del mismo; existen un poco mas de 118 átomos diferentes. ***elemento:*** es el conjunto de átomos con igual número atómico. ***compuesto:*** es la unión de 2 ó mas átomos de diferentes elementos, el cual adquiere características completan diferentes a la de los elementos que lo forman. ***moléculas:*** es la parte mas pequeña de un compuesto que guarda todos las características del mismo; también puede ser la unión de átomos de un mismo elemento. ***mezcla:*** es la combinación física de sustancias (elementos o compuestos); por lo tanto su composición es variable. Estos componentes puede separarse por métodos físicos. Las mezclas homogéneas poseen sólo una fase; mientras que las mezclas heterogéneas posee dos o más fases. ***Sustancias puras**:* materiales o porciones de materia cuya composición y propiedades son definidas, pueden ser elementos o compuestos.. *Cambios físicos:* son aquellas que no provocan la creación de nuevas sustancias. *Cambios químicos:* son los que permiten que ciertas sustancias cambien su naturaleza; es decir, cambios que permiten la transformación de las sustancias. *Propiedades físicas:* son aquellas propiedades que pueden observarse o medirse de una sustancia sin que cambie de identidad química. *Propiedades químicas:* son aquellas que les permiten a ciertas sustancias convertirse en otras; es decir, cambiar de naturaleza, transformarse.