curso química 2008 parte 03

04/12/23 09:13 AM José Mariano Cárdenas Méndez 1

José Mariano Cárdenas MéndezVersión 2008


ContenidoEstados de la materia (4)Mezclas (8)El agua (15)Disoluciones (23)Concentración de las disoluciones (29)Memoranda (36)Bibliografía (37)


Estados de la materia

El término estados de la materia se refiere a las formas físicas en las cuales la materia existe: sólido, líquido y gaseoso. También se denomina estados de agregación

Existe el cuarto estado de la materia, llamado plasma, cuya característica esencial es que los átomos están ionizados, debido a temperaturas altas. Por ejemplo, es posible encontrar el estado plasma en los núcleos estelares



• A continuación se muestra una tabla con las características de cada estado de la materia



• Las transformaciones físicas de la materia reciben nombres especiales:

• Sólido → Líquido: FUSIÓN

• Líquido → Sólido: SOLIDIFICACIÓN

• Sólido → Gas: SUBLIMACIÓN

• Gas → Líquido: LICUEFACCIÓN

• Vapor → Líquido: CONDENSACIÓN

• Líquido → Gas: EBULLICIÓN

• Líquido → Vapor: VAPORIZACIÓN


Mezclas

• La mayor parte de la materia que vemos cotidianamente consiste en mezclas de diferentes sustancias

• Las mezclas son combinaciones de dos o más compuestos en las que cada compuesto conserva su propia identidad química y por ende sus propiedades


Mezclas

• Existen dos tipos de mezclas

• Mezclas homogéneas: son las mezclas que son uniformes en todos sus puntos, por ejemplo el aire que respiramos, el cual tiene una composición uniforme de 78% de nitrógeno N2, 20% de oxígeno O2 y 2% de otros gases como CO2, Ar, CH4, vapor de agua, etc.

• Mezclas heterogéneas: son las mezclas que no tienen la misma composición, propiedades y aspecto en todos los puntos. Algunos ejemplos de mezclas heterogéneas son la arena, la madera o las rocas.


Mezclas

Dado que los componentes de una mezcla conservan sus propiedades, es posible separarlos mediante métodos mecánicos o físicos


Mezclas

• Existen varios métodos físicos de separación de mezclas, algunos de ellos son los siguientes:

• Decantación: Se emplea para separar dos o más líquidos que no se disuelven entre sí (no miscibles) y que tienen diferentes densidades. Por ejemplo aceite y agua

• También para separar las partículas de sólidos insolubles en un líquido y que por su mayor densidad se sedimentan. Por ejemplo limadura de hierro en agua


Mezclas

Filtración: Se emplea para separar las partículas sólidas insolubles que están en un líquido. Para efectuarla se utiliza un medio poroso que deja pasar el líquido y retiene las partículas de la sustancia sólida.

En el laboratorio se emplea el papel filtro.


Mezclas

Evaporación: Se emplea para separar un sólido disuelto en un líquido, cuando éste se evapora, la sustancia sólida queda cristalizada.

Por ejemplo, los rayos solares evaporan el agua de mar y se obtiene sal de cocina. En el laboratorio se pone en un vidrio de reloj una solución de yodo en éter, al evaporarse el éter, el yodo se cristaliza


Mezclas

Destilación: Se utiliza para purificar un líquido al eliminar las sustancia que tenga disueltas o para separar mezclas de líquidos que se disuelven entre sí (miscibles) con diferentes puntos de ebullición, es decir, que hierven a diferente temperatura.


El agua• El hidrógeno puede formar compuestos con los

elementos de la familia VIA de la Tabla Periódica:

• Obsérvese que se sigue una tendencia específica, a menor masa molecular, disminuye el punto de ebullición y de congelación, sin embargo el agua se sale de esta tendencia y sus puntos de ebullición y congelación son mucho mayores


El agua

• La mayoría de las propiedades físicas del agua se sale de las tendencias

• A temperatura ambiente es un líquido incoloro, inodoro e insípido

• Disuelve una gran cantidad de sustancias• Su punto de congelación es 0ºC• Su punto de ebullición es 100ºC (a nivel del mar)• Su calor específico es 1 cal / g ºC, es decir, para que un

gramo de agua eleve un grado centígrado su temperatura se necesita una energía de una caloría, por esta razón el agua requiere de mucha energía para hervir o para “calentarse”


El agua

• A nivel estructural el agua presenta las siguientes características:

• El ángulo entre los enlaces O─H es 104.45º• Es una molécula dipolar, es decir presenta un polo

negativo y un polo positivo


El agua

• Recordatorio• Ley de las cargas:


El agua

Debido a que las cargas diferentes se atraen, el polo positivo de una molécula de agua atrae al polo negativo de otra molécula de agua

Esta interacción se denomina puente de hidrógeno

El puente de hidrógeno es una interacción intermolecular, no es un enlace químico


El agua

Los puentes de hidrógeno son enlaces muy fuertes. Por esta razón, el agua presenta propiedades que se salen de la línea de los compuestos similares (H2S, H2Se y H2Te)


El aguaDistribución del agua en la Tierra

El 70% de la superficie terrestre es agua

Del agua que hay en el Planeta Tierra:

El 97.5% es agua salada

El 1.74% es hielo en forma de témpanos y nieve

El 0.75% es agua subterránea

El 0.01% es agua de ríos y atmosférica


El agua

• Usos del agua por sectores

• En el mundo, el sector que usa una mayor cantidad de agua es el sector agrícola, seguido del sector industrial y finalmente el sector doméstico:


DisolucionesLa mayoría de las reacciones químicas se llevan a cabo en

disoluciones y la mayoría de las reacciones químicas que ocurren en disoluciones, suceden en disoluciones acuosas

Por ejemplo, en la reacción:

HCl + NaOH → NaCl + H2O

Reaccionan el ácido clorhídrico y el hidróxido de potasio, sin embargo para que puedan reaccionar es indispensable que ambas sustancias se encuentren en disolución acuosa, pues el HCl, cloruro de hidrógeno, es un gas que se licua a –84ºC y el NaOH es una sustancia cristalina que funde a 318ºC, es decir, sin la presencia de agua no reaccionan


Disoluciones

Todas las disoluciones tienen al menos dos componentes el soluto y el disolvente:

1. Soluto: es el componente que se encuentra en menor proporción

2. Disolvente: es el componente que se encuentra en mayor proporción


Disoluciones

• Para que una sustancia de disuelva en agua, tiene que cumplir una de dos opciones

• 1. Que la sustancia se disocie en iones.

Muchas sustancias que tienen enlace iónico se disocian en iones en el agua:

• Ejemplos:

• NaCl → Na+ + Cl–

• KOH → K+ + OH– • NH4Cl → NH4

+ + Cl–

• HBr → H+ + Br–


Disoluciones

• Cuando una sustancia se disocia en iones en agua, ocurre un proceso llamado solvatación

• La solvatación es una interacción entre los iones de la sustancia disociada y las moléculas del disolvente

• En el ejemplo de la siguiente disociación:

• NaCl → Na+ + Cl–

• Los iones sodio y los iones cloro (cloruros) se encuentran rodeados de las moléculas de agua, el cloruro, cuya carga es negativa atrae al polo positivo del agua; y el ion sodio, cuya carga es positiva, atrae al polo negativo del agua (cargas diferentes se atraen)


Disoluciones

• Solvatación del NaCl en disolución acuosa


Disoluciones

• 2. La segunda opción que tiene que cumplir una sustancia para disolverse en el agua, es que debe tener el poder de formar puentes de hidrógeno con el agua

• Por ejemplo, el alcohol etílico CH3CH2OH se disuelve en agua, gracias a la formación de puentes de hidrógeno


Concentración de las disoluciones

La forma más usual de expresar la concentración de una solución es la molaridad

La molaridad se define como la cantidad de sustancia (moles) del soluto por litro de solución. La molaridad se simboliza con la letra M (siempre mayúscula):

Las unidades de la concentración molar son moles / litro (mol / L)

)(

)()(

Vsolucióndelitros

nsolutodemolesMmolaridad



Ejemplo 1. Cuántos gramos se necesitan para preparar una disolución acuosa 1.5M de NaCl (1.5 moles de NaCl en un litro de agua)

Paso 1. Calcular la masa molecular del cloruro de sodio:

1 átomo de Na = 231átomo de Cl =35.5Total 58.5 g / mol

Paso 2. Calcular cuantos gramos de NaCl hay en 1.5 moles

Entonces se tiene que disolver 87.75 gramos de NaCl en 1 litro de agua para obtener una disolución 1.5M de NaCl

gmol

gmol 75.87

1

5.585.1



Ejemplo 2. ¿Cuál será la concentración molar de una disolución que se preparó disolviendo 240 gramos de NaOH en 3 litros de agua?

Paso 1. Calcular la masa molecular del hidróxido de sodio:

1 átomo de Na = 231 átomo de O = 161átomo de H = 1Total 40 g / mol

Paso 2. Calcular cuantas moles de NaOH hay en 240 gramos

molg

molg 6

40

1240



Paso 3. Aplicar la fórmula de la concentración molar para calcular la molaridad de la solución:

La solución de NaOH tiene una concentración 2M (2 molar)

)(

)()(

Vsolucióndelitros

nsolutodemolesMmolaridad

ML

molMmolaridad 2

3

6)(



Otra forma de expresar la concentración de las disoluciones es el porcentaje en volumen, esta forma de expresar la concentración suele emplearse cuando se mezclan líquidos

100%

disolventedelVolumensolutodelVolumen

solutodelVolumenVolumen



Ejemplo 1. Se mezcla 800 mL de acetona y 2 litros de agua. ¿Cuál es el porcentaje en volumen de esta disolución?

Solución. Se sustituye los datos en la fórmula, los volúmenes tienen que estar en las mismas unidades (2 L = 2000 mL)

100%

disolventedelVolumensolutodelVolumen

solutodelVolumenVolumen

%57.281002000800

800%

mLmL

mLVolumen



Ejemplo 2. Una solución, cuyo volumen es de 1.5 litros, contiene 35 % en volumen de alcohol, ¿cuántos mililitros de alcohol hay en la solución?

Solución. Se convierte 1.5 litros a mililitros

Se determina el 35% de 1500 mL

En la disolución hay 525 mL de alcohol

mLL

mLL 1500

1

10005.1

mLmL 525100

351500


Memoranda

Aprenderse de memoria las características de los gases, líquidos y sólidos

Aprenderse los siguientes conceptos: fusión, solidificación, sublimación, licuefacción, condensación, ebullición, vaporización, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, puente de hidrógeno, disolución, soluto y disolvente

Aprenderse las fórmulas de concentración molar y de porcentaje en volumen


BibliografíaBrown T., LeMay E., Bursten B. Química. La ciencia central. Prentice-Hall:

1998

Chemistry. Departament of Chemistry Fundamentals Handbook: 1993 (Versión electrónica)

Fiálkov Yu. Propiedades extraordinarias de las soluciones corrientes. Mir-Moscú: 1985

Guía de cultura del agua. Gobierno del Estado de Guanajuato: 2004

Lehninger A. Bioquímica. Omega: 1985

Novarro A. Mediciones y dimensiones I. 2007 (Versión electrónica)

Rincón Arce A., Rocha León A. ABC de química. Segundo curso. Herrero: 1976

World Water Assessment Programme. UNESCO, 4th World Water Forum: 2006

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