act 3. reconocimiento unidad 1. lecturas

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍAS E INGENIERÍAS

201102- Química General Act No. 3. Reconocimiento Unidad 1

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Número atómico, Masa atómica

Los átomos están formados por un núcleo (formado por protones y neutrones), de tamaño reducido y cargado positivamente, rodeado por una nube de electrones, de carga negativa que se encuentran en la corteza.

En el átomo neutro, el número de protones que existen en el núcleo, es igual al número de electrones que lo rodean. Este número es un entero, que se denomina número atómico y se designa por la letra, "Z”.

La suma del número de protones y neutrones en el núcleo se denomina masa atómica (número másico) del átomo y se designa por la letra, "A”.

Iones

Cuando el átomo gana o pierde electrones se convierte en un ión. Los átomos que ganan electrones quedan con carga negativa y se denominan aniones. Los átomos que pierden electrones quedan con carga positiva y se denominan cationes. Ejemplo de cationes:Ca2+,Li1+ (El calcio perdió dos electrones y el litio perdió uno) ejemplo de aniones: Cl1-, O2- (El Cl ganó un electrón y el oxigeno ganó dos). Visitar la siguiente página interactiva donde pueden ejercitarse sobre el tema de átomos neutros, iones y la cantidad de protones, electrones y neutrones: http://www.educaplus.org/play-85-Part%C3%ADculas-de-los-%C3%A1tomos-e-iones.html

Isótopos

El número de neutrones de un elemento químico se puede calcular como A - Z, es decir, como la diferencia entre la masa atómica y el número atómico.

http://www.educaplus.org/play-85-Part%C3%ADculas-de-los-%C3%A1tomos-e-iones.html

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No todos los átomos de un elemento dado tienen la misma masa. La mayoría de los elementos tiene dos ó más isótopos, átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente masa atómica. Por lo tanto la diferencia entre dos isótopos de un elemento es el número de neutrones en el núcleo.

En un elemento natural, la abundancia relativa de sus isótopos en la naturaleza recibe el nombre de abundancia isotópica natural. La denominada masa atómica de un elemento es una media (PROMEDIO) de las masas de sus isótopos naturales ponderada de acuerdo a su abundancia relativa.

Ejemplo: Si tengo el isótopo de Carbono 12 (masa atómica 12) con una abundancia de 99,1% en la naturaleza, el isótopo Carbono 13 (masa atómica

13) con una abundancia de 0,3% y el isotopo carbono 14 (masa atómica 14) con una abundancia del 0,6%

La masa promedio del carbono sería

12 x(99,1/100) + 13 x (0,3/100) + 14 x (0,6/100) = 12x0,991 + 13x0,006 + 14x0,006 = 12.099

Nota: los datos anteriores de abundancia no son exactamente los reales, son un ejemplo.

Ejemplos isótopos

Para el carbono Z=6. Es decir, todos los átomos de carbono tienen 6 protones y 6 electrones.



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El carbono tiene dos isótopos: uno con A=12, con 6 neutrones y otro con masa atómica = 13, con 7 neutrones, que se representan como:

CARBONO 12 CARBONO 13

El carbono con masa atómica 12 es el más común (~99% de todo el carbono). Al otro isótopo se le denomina carbono-13.

El hidrógeno presenta tres isótopos, y en este caso particular cada uno tiene un nombre diferente

HIDRÓGENO DEUTERIO TRITIO

Estados de la Materia.

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.



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La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:

Los sólidos : Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.

Los líquidos : No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

Los gases : No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.

Descubren un nuevo estado de la materia denominado supersólido ver el siguiente vínculo: http://www.tendencias21.net/Descubren-un-nuevo-estado-de-la-materia-denominado-supersolido_a266.html

Dos físicos de la Penn State University de Pennsylvania, el profesor Moses Chan y el estudiante Eun-Seong Kim, han descubierto una nueva fase de la materia, una forma supersólida del helio-4, que tiene todas las propiedades de un superfluido. La nueva fase de la materia es una forma ultrafría, supersólida, de helio-4. El helio-4 congelado se comporta como una combinación de sólido y súperfluido. Según sus descubridores, es la primera vez que se obtiene en laboratorio un material sólido con las características de un superfluido. Los investigadores explican que su material es un sólido porque todos los átomos del helio-4 quedan congelados en una película cristalina rígida, tal como ocurre con los átomos y las moléculas de un cuerpo sólido normal como es el hielo. Sin embargo, en el caso del helio esta congelación de los átomos no implica que estén inmóviles. Cuando el helio-4 llega a la temperatura adecuada (apenas un décimo de grado

http://www.tendencias21.net/Descubren-un-nuevo-estado-de-la-materia-denominado-supersolido_a266.html

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sobre el cero absoluto), la película que forma comienza a experimentar las leyes de la mecánica cuántica.

Dos físicos de la Penn State University de Pennsylvania, el profesor Moses Chan y el estudiante Eun-Seong Kim, han descubierto una nueva fase de la materia, una forma supersólida del helio-4, que tiene todas las propiedades de un superfluido. La nueva fase de la materia es una forma ultrafría, supersólida, de helio-4. El helio-4 congelado se comporta como una combinación de sólido y súperfluido. Según sus descubridores, es la primera vez que se obtiene en laboratorio un material sólido con las características de un superfluido. Los investigadores explican que su material es un sólido porque todos los átomos del helio-4 quedan congelados en una película cristalina rígida, tal como ocurre con los átomos y las moléculas de un cuerpo sólido normal como es el hielo. Sin embargo, en el caso del helio esta congelación de los átomos no implica que estén inmóviles. Cuando el helio-4 llega a la temperatura adecuada (apenas un décimo de grado sobre el cero absoluto), la película que forma comienza a experimentar las leyes de la mecánica cuántica.

El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas. Resulta entonces, que el volumen ocupado por el gas ( V) depende de la presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o numero de moles ( n).

Leyes de los gases Ideales

Se han desarrollado leyes empíricas que relacionan las variables macroscópicas en base a las experiencias realizadas en laboratorio. En los gases ideales, estas variables incluyen la presión (p), el volumen (V), la temperatura (T) y la cantidad de sustancia (n).

La ley de Boyle - Mariotte relaciona inversamente las proporciones de volumen y presión de un gas, manteniendo la temperatura constante:

P1. V1 = P2 . V2

La ley de Charles afirma que el volumen de un gas, a presión constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta:

V1 / T1 = V2/T2 *



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La ley de Gay-Lussac sostiene que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del sistema:

P1 / T1 = P2/T2 *

* En ambos casos la temperatura se mide en kelvin (273 ºK = 0ºC)

De las tres se deduce la ecuación o ley combinada :

P1.V1 / T1 = P2.V2/T2

Ley de Avogadro

El volumen es directamente proporcional a la cantidad de sustancia ( n), cuando Presión (P) y temperatura (T) son constantes

V / n = k

Estas cuatro leyes se engloban en la ley de los gases ideales, o ecuación de estado resumida en la siguiente fórmula:

PV = nRT

donde:

P = presión, T = temperatura, V = volumen, n = cantidad de sustancia

Más información en: http://www.educaplus.org/gases/gasideal.html

Calor involucrado en los cambios de estado

Una sustancia puede cambiar de estado mediante una absorción o una liberación de calor.

Cuando un sólido cambia a líquido (licuación - derretimiento) debe absorber calor; cuando un líquido cambia a gas (vaporización) debe absorber calor. Al contrario, cuando cambia de gas a líquido (condensación) debe liberar calor; de líquido a sólido (congelación - solidificación) debe liberar calor.

El proceso de cambio de estado se realiza a temperatura constante, por ejemplo: un trozo de hielo, al derretirse a la temperatura de fusión, mantiene la temperatura

http://www.educaplus.org/gases/gasideal.html



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de 0°C (en forma de hielo y después en forma de líquido), en todo caso en este cambio de estado debe recibir una cantidad importante de calor, aquí la sustancia obedece a una característica conocida como calor latente de fusión ΔH , el del hielo es de 334 J/gr (80 cal/g). La misma agua, si se sigue calentando podrá evaporarse, al alcanzar la temperatura de vaporización (100°C a nivel del mar), pasará a vapor, después de absorber 2.260 Joules de calor por cada gramo (540cal/g), este valor corresponde al calor latente de vaporización ΔHv .

Nota. En este texto se utiliza el símbolo Δ representando un símbolo delta (cambio)

Si el proceso fuera al revés del planteado, es decir; de líquido a sólido, la característica a usar sigue siendo el calor latente de fusión y, en el caso del paso de gas a líquido, sigue siendo el calor latente de vaporización, la diferencia está en que en este caso la cantidad de calor es cedido en lugar de absorbido.

En los procesos de cambio de estado, la energía que se añade (o quita) se usa para vencer las fuerzas de atracción de las partículas que componen la materia.

Situación general:

Si un cuerpo cambia de estado de sólido a gas, se pueden distinguir las siguientes fases:

1. Calor necesario para alcanzar la temperatura de fusión: Qs= m x Cs x ΔT, donde Cs es el calor específico de la sustancia en estado sólido.

2. Calor necesario para cambiar de estado de sólido a líquido: Qs-l = m x ΔHf

3. Calor necesario para alcanzar la temperatura de vaporización: Ql = m x Cl x ΔT,

4. Calor necesario para cambiar de estado de líquido a gas: Ql-v= m x ΔHv

5. Calor necesario para alcanzar la temperatura final tf, en estado de gas: Q5 = m x Cv x ΔT, donde Cves el calor específico de la sustancia en estado gaseoso.

El proceso inverso es idéntico, teniendo cuidado de cambiar la terminología usada.

En un cambio de estado no siempre se dan todos los pasos señalados anteriormente; puede solamente calentarse un líquido sin llegar a evaporarse (en este caso solo se calcula Ql), o calentarse un líquido hasta el punto de ebullición, pasar a vapor y seguir calentando el vapor hasta determinada temperatura Tf (en este caso se calcularían tres Q: Ql, Ql-v, Qv Y la cantidad de calorias totales sería la suma de las tres).



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Curva de calentamiento

Figura 1 Curva de calentamiento

En la figura 1 se presenta la grafica de una curva de calentamiento completa desde el estado sólido, hasta el estado de vapor.

Supongamos que se tiene una sustancia en el estado sólido en un tiempo to a una temperatura inicial Ti (figura 1). Si empezamos a adicionar calor progresivamente, su temperatura empieza a aumentar (calor sensible) hasta llegar a la temperatura de fusión Tf en el tiempo t1.

La cantidad de calor gastado entre to y t1 se calcula por la expresión:

TiTfmCesQ 1

donde:

Q1 = cantidad de calor en calorías.

m = masa (gramos) de sustancia que se está calentando en el estado sólido.

Ces = es el calor específico de la sustancia en el estado sólido (cal/g °C)

Tf – Ti = Representa el cambio de temperatura (ΔT) en ese intervalo.

S

T final

T eb

T f

Tinicial

t0 t1 t2 t3 t4 t5

S↔L L

L↔V V



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Cuando la sustancia se encuentra a la temperatura de fusión, hay necesidad de aplicarle calor latente de fusión (ΔHfusión) para convertirla en líquido (intervalo t1 a t2 ), el calor total de este intervalo depende de la masa.

HfusiónmfQQ 2

Cuando todo el sólido se haya transformado en líquido (t2), al aplicar calor empieza nuevamente a incrementarse la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo (t3), donde el líquido alcanza su temperatura de ebullición.

El calor aplicado entre t2 y t3 se calcula por la expresión:

)3 TfTebmCelQ ó TmCelQ 3

Cel es el calor específico de la sustancia en el estado líquido (cal/g °C)

Cuando la sustancia se encuentra en la temperatura de ebullición, hay necesidad de aplicarle el calor latente de vaporización (ΔHv) para convertirla en vapor (intervalo t3 a t4).

El calor total de este intervalo depende de la masa:

HvmQvQ 4

Cuando todo el líquido se halla transformado en vapor (t4), al aplicarle calor empieza de nuevo a incrementarse la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo final (t5) y la temperatura final (Tf). En el lapso de tiempo t4 a t5 se aplico una cantidad de calor que se calcula por la expresión:

)(5 TebTfmCevQ ó TmCevQ 5

donde Cev es el calor específico de la sustancia en el estado de vapor (cal/g °C).

El calor total aplicado durante el proceso de calentamiento es la suma de todos los calores o sea:

54321 QQQQQQT



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Curva de enfriamiento

En la figura 2 se presenta la gráfica de una curva de enfriamiento completa, desde el estado de vapor, pasando por el líquido, hasta el sólido.

Supongamos que se tiene una sustancia en el estado de vapor en un tiempo to a una temperatura inicial Ti (figura 2). Si empezamos a extraer calor progresivamente, su temperatura empieza a descender (calor sensible) hasta llegar a la temperatura de licuefacción TL en el tiempo t1.

La cantidad de calor extraído entre to y t1 se calcula por la expresión:

TiTvmceQ L 1

donde TL : es temperatura de licuefacción e igual numéricamente a Teb.

Cuando la sustancia se encuentra a la temperatura de licuefacción, hay necesidad de extraerle el calor latente de licuefacción (-ΔHL) para convertirla en líquido (intervalo t1 a t2

), el calor total de este intervalo depende de la masa.

t0 t1 t2 t3 t4 t5

Tinicial

TL

TS

Tf V L S

V↔L

L↔S

Figura 2. Curva de enfriamiento



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LL HmQQ 2

Cuando todo el vapor se haya transformado en líquido (t2), al extraer calor empieza nuevamente a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo (t3), alcanza la temperatura de solidificación (Ts).

El calor aplicado entre t2 y t3 se calcula por la expresión:

)3 LS TTLmceQ

Cuando la sustancia se encuentra en la temperatura de solidificación, hay necesidad de extraerle el calor latente de solidificación (-ΔHs) para convertirla en sólido(intervalo t3 a t4).

El calor total de este intervalo depende de la masa:

SS HmQQ 4

Cuando todo el líquido se ha transformado en sólido (t4), al extraerle calor empieza de nuevo a descender la temperatura (calor sensible) hasta el tiempo final (t5) alcanza la temperatura final deseada Tf.

El calor en este intervalo se calcula por la expresión:

SF TTsmceQ 5

El calor total extraído durante el proceso de enfriamiento es la suma de todos los calores o sea:

54321 QQQQQQT

Tomado de:



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Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge, Química la Ciencia Central, novena edición

act 3. reconocimiento unidad 1. lecturas

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