Fisicoqumica I

Fisicoqumica I2012

INTRODUCCIN

Sabemos que las transiciones electrnicas se da cuando los electrones se encuentran alrededor del ncleo atmico en orbitas. Cada orbita corresponde a un determinando nivel de energa. Cuando un tomo es excitado alguno de sus electrones absorben un fotn y son obligados a moverse a un nivel ms energtico. Al suspender dicha excitacin, el tomo vuelve a su estado de equilibrio original y los electrones que se reacomodan liberan el fotn antes absorbido.La longitud de onda de los fotones depender de cuantos niveles de energa tubo que moverse el electrn que lo libero.Adems se sabe que los metales son elementos slidos con altos puntos de fusin y ebullicin, son buenos conductores de calor, electricidad, son dctiles, resistentes y presentan un brillo caracterstico denominado brillo metlico.Los metales, especialmente los alcalinos, tienen la particularidad de producir a la flama coloraciones especficas (gama de coloracin de la longitud de onda), esto es debido a que al evaporizarse algunas de sus sales, los tomos de estos elementos se exaltan fcilmente a la temperatura del mechero Bunsen.Los metales que identificaremos de esta forma son: El Sodio que produce una flama Naranja, el Cobre que produce una flama Azul-Verde, el Bario que produce una flama Verde, el Litio que produce una flama Rojo-Escarlata, el Estroncio que produce una flama Roja, el Calcio que produce una flama Rojo-Naranja y el Potasio que produce una flama Violeta tenue.

1. OBJETIVO

Anlisis de algunos compuestos por el color que presente la flama en el mechero Bunsen. Reconocer que tipos de enlaces qumicos presenta algunas sustancias. Determinar la polaridad de algunas sustancias.

2. FUNDAMENTO TEORICO

LA LONGITUD DE UNA ONDALa longitud de una onda es el perodo espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso. Normalmente se consideran dos puntos consecutivos que poseen la misma fase: dos mximos, dos mnimos, dos cruces por cero (en el mismo sentido). Por ejemplo, la distancia recorrida por la luz azul (que viaja a 299.792.458 m/s) durante el tiempo transcurrido entre dos mximos consecutivos de su campo elctrico (o magntico) es la longitud de onda de esa luz azul. La luz roja viaja a la misma velocidad, pero su campo elctrico aumenta y disminuye ms lentamente que el de la luz azul. Por tanto, la luz roja tendr una frecuencia menor, lo que hace que su longitud de onda (distancia entre puntos anlogos de la onda) sea mayor. Por eso la longitud de onda de la luz roja es mayor que la longitud de onda de la luz azul.

Longitud de onda en una sinusoide.

Si se representa esta propiedad (el campo elctrico en el ejemplo mencionado) en una grfica, entonces se puede decir que la longitud de onda est representada en esa misma grfica como la distancia entre dos mximos consecutivos. En otras palabras, describe lo larga que es la onda. Las ondas de agua en el ocano, las ondas de presin en el aire, y las ondas de radiacin electromagntica tienen todas sus correspondientes longitudes de onda.La longitud de onda es una distancia real recorrida por la onda (que no es necesariamente la distancia recorrida por las partculas o el medio que propaga la onda, como en el caso de las olas del mar, en las que la onda avanza horizontalmente y las partculas se mueven verticalmente).La letra griega (lambda) se utiliza para representar la longitud de onda en ecuaciones.

La longitud de onda de las ondas de sonido, en el intervalo que los seres humanos pueden escuchar, oscila entre menos de 2 cm y aproximadamente 17 metros. Las ondas de radiacin electromagntica que forman la luz visible tienen longitudes de onda entre 400 nanmetros (luz violeta) y 700 nanmetros (luz roja).En el Sistema Internacional, la unidad de medida de la longitud de onda es el metro, como la de cualquier otra longitud. Segn los rdenes de magnitud de las longitudes de onda con que se est trabajando, se suele recurrir a submltiplos como el milmetro (mm), el micrmetro (m) y el nanmetro (nm).RELACIN CON LA FRECUENCIASi la velocidad de propagacin es constante, la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia f. Una longitud de onda ms larga corresponde a una frecuencia ms baja, mientras que una longitud de onda ms corta corresponde a una frecuencia ms alta:

donde es la longitud de onda, v es su velocidad de propagacin, y f es la frecuencia. Para la luz y otras ondas electromagnticas que viajan en el vaco, la velocidad v vale 299.792.458 m/s y es la velocidad de la luz c, constante. Para las ondas de sonido que se desplazan por el aire, v es aproximadamente 343 m/s y depende de las condiciones ambientales.Por ejemplo, la luz roja, de frecuencia aproximada 440 THz, tiene ondas de unos 682 nm de longitud:

LONGITUD DE ONDA, VELOCIDAD, COLORESLa luz, al igual que el sonido, es una combinacin de "tonos" de diferente frecuencia.Se puede decir que los tonos es al sonido lo que los colores es la luz. La luz es entonces una combinacin de colores (cada color de diferente frecuencia y longitud de onda).La luz blanca es una mezcla de rayos de luz combinados. Cada uno de estos rayos tiene su propia longitud de onda, y es la variacin de esta longitud de onda la que permite obtener todos los colores posibles.Se pueden ver los colores del arco iris, que es la luz blanca que viene del sol y es separada por las gotas de lluvia a modo de prisma.A veces cuando se comparan dos fuentes de luz blanca, se nota que no son exactamente iguales. Esta diferencia se explica en que cada fuente de luz tiene una combinacin diferente de tonos de color.Algunas luces blancas son ms amarillentas o azuladas que otras y esto se debe a que en la combinacin de colores predomina ms uno de ellos.A continuacin se representa la descomposicin de la luz blanca (luz visible), en los colores que la componen, mediante un prisma.

La longitud de onda se expresa de la siguiente manera: = c / f donde: = longitud de onda de la luz. c = velocidad de la luz en el espacio (300,000 Km./seg) f = frecuenciaLa luz se puede dividir en tres categoras:

Notas:1m = 10-6 metros (m)1A = 10-10 metros (m)1m = 10,000 A

El ojo humano tiene una capacidad limitada y no es capaz de ver luz de longitudes de onda mayores a la de la luz ultravioleta (UV), ni menores a la de la luz infrarroja.La Luz que todos vemos, se descompone en los colores que se muestran en la tabla anterior. La luz blanca es la combinacin de todos los colores y la negra es ausencia de ellos.Luz Visible. Isaac Newton fue el primero en descomponer la luz visible blanca del Sol en sus componentes mediante la utilizacin de un prisma. La luz blanca est constituida por la combinacin de ondas que tienen energas semejantes sin que alguna predomine sobre las otras. La radiacin visible va desde 384x1012 hasta 769x1012 hz. Las frecuencias ms bajas de la luz visible (longitud de onda larga) se perciben como rojas y las de ms alta frecuencia (longitud corta) aparecen violetas.Rayos infrarrojos.. La radiacin infrarroja se localiza en el espectro entre 3x1011 hz. Hasta aproximadamente los 4x1014 Hz. La banda infrarroja se divide en tres secciones de acuerdo a su distancia a la zona visible: prxima (780 - 2500 nm), intermedia (2500 - 50000 nm) y lejana (50000 - 1mm). Toda molcula que tenga una temperatura superior al cero absoluto (-273 K) emite rayos infrarrojos y su cantidad est directamente relacionada con la temperatura del objeto.VELOCIDAD DE TRANSMISINLa velocidad a la que los ultrasonidos se transmiten por un medio determinado depende de la densidad y de la elasticidad de dicho medio. Esta velocidad es fundamental, pues no slo es uno de los factores que intervienen en la produccin del eco, sino que adems es la base para calcular la impedancia acstica, que a su vez es clave para la absorcin.La velocidad de propagacin de un haz de ultrasonido a travs de diversas sustancias es muy variable.

ENERGA, POTENCIA E INTESIDADEl haz de ultrasonidos transporta una determinada cantidad de energa producida por el transductor; si la consideramos por unidad de tiempo, es lo que se conoce como potencia. La unidad de potencia es el vatio (W). Dividiendo la potencia por la superficie del haz, obtenemos la intensidad (W/cm), que es uno de los parmetros ms importantes que hay que tener en cuenta en los tratamientos con ultrasonidos.As pues, para saber la cantidad de ultrasonidos que estn llegando en cada momento a una zona, deberemos referirnos a la intensidad o densidad de potencia. Habitualmente, en tratamientos con ultrasonidos que estn llegando en cada momento a una zona, deberemos referirnos a la intensidad o densidad de potencia. Habitualmente, en tratamientos con ultrasonidos, utilizamos intensidades de entre 0,5 y 2,5 W/cm.

ENLACES QUIMICOSUn enlace qumico es el proceso qumico responsable de las interacciones atractivas entre tomos y molculas, y que confiere estabilidad a los compuestos qumicos diatmicos y poliatmicos. La explicacin de tales fuerzas atractivas es un rea compleja que est descrita por las leyes del electromagnetismo.Sin embargo, en la prctica, los qumicos suelen apoyarse en la fisicoqumica o en descripciones cualitativas que son menos rigurosas, pero ms sencillas en su propia descripcin del enlace qumico. En general, el enlace qumico fuerte est asociado con la comparticin o transferencia de electrones entre los tomos participantes. Las molculas, cristales, y gases diatmicos o sea la mayor parte del ambiente fsico que nos rodea est unido por enlaces qumicos, que determinan la estructura de la materia.Hay que tener en cuenta que las cargas opuestas se atraen, porque, al estar unidas, adquieren una situacin ms estable (de menor entalpa) que cuando estaban separados. Esta situacin de mayor estabilidad suele darse cuando el nmero de electrones que poseen los tomos en su ltimo nivel es igual a ocho, estructura que coincide con la de los gases nobles ya que los electrones que orbitan el ncleo estn cargados negativamente, y que los protones en el ncleo lo estn positivamente, la configuracin ms estable del ncleo y los electrones es una en la que los electrones pasan la mayor parte del tiempo entre los ncleos, que en otro lugar del espacio. Estos electrones hacen que los ncleos se atraigan mutuamente.

TIPOS DE ENLACEEnlace covalenteEl enlace covalente polar es intermediado en su carcter entre un enlace covalente y un enlace inico. Los tomos enlazados de esta forma tienen carga elctrica neutra.Los enlaces covalentes pueden ser simples cuando se comparte un solo par de electrones, dobles al compartir dos pares de electrones, triples cuando comparten tres pares de electrones, o cudruples cuando comparten cuatro pares de electrones.Los enlaces covalentes no polares se forman entre tomos iguales, no hay variacin en el nmero de oxidacin. Los enlaces covalentes polares se forman con tomos distintos con gran diferencia de electronegatividades. La molcula es elctricamente neutra, pero no existe simetra entre las cargas elctricas originando la polaridad, un extremo se caracteriza por ser electropositivo y el otro electronegativo.En otras palabras, el enlace covalente es la unin entre tomos en donde se da un compartimiento de electrones, los tomos que forman este tipo de enlace son de carcter no metlico. Las molculas que se forman con tomos iguales (mononucleares) presentan un enlace covalente pero en donde la diferencia de electronegatividades es nula.

Enlace inico o ElectrovalenteEl enlace inico es un tipo de interaccin electrosttica entre tomos que tienen una gran diferencia de electronegatividad. En palabras ms sencillas, un enlace inico es aquel en el que los elementos involucrados aceptan o pierden electrones (se da entre un catin y un anin) o dicho de otra forma, es aquel en el que un elemento ms electronegativo atrae a los electrones de otro menos electronegativo. El enlace inico implica la separacin en iones positivos y negativos.

Enlace metlicoEn un enlace metlico, los electrones de enlace estn deslocalizados en una estructura de tomos. En contraste, en los compuestos inicos, la ubicacin de los electrones enlazantes y sus cargas es esttica. Debido a la deslocalizacin o el libre movimiento de los electrones, se tienen las propiedades metlicas de conductividad, ductilidad y dureza.

POLARIDAD MOLECULAR Es posible predecir la polaridad de un enlace covalente a partir de la diferencia de electronegatividad de los tomos unidos por el enlace. No obstante, una molcula que tiene enlaces polares puede ser polar o apolar. Dependiendo de la forma tridimensional de la molcula (geometra), las contribuciones de dos o ms enlaces polares podran cancelarse mutuamente, y en este caso se tratara de una molcula no polar. En una molcula polar hay una acumulacin de densidad electrnica hacia un extremo de la molcula, lo que confiere a ese extremo una carga parcial negativa, d-, y deja el otro extremo con una carga parcial positiva de igual valor, d+. Una molcula polar. Antes de examinar los factores que determinan si una molcula es polar o no, veamos cmo se puede medir experimentalmente la polaridad de una molcula. Las molculas polares experimentan una fuerza en un campo elctrico que tienden a alinearlas con el campo. Cuando el campo elctrico se produce entre dos placas de carga opuesta, el extremo positivo de cada molcula es atrado hacia la placa negativa y el extremo negativo es atrado hacia la placa positiva. El grado en que las molculas se alinean con el campo depende de su momento dipolar, m, que se define como el producto de la magnitud de las cargas parciales (d- y d+) por la distancia de separacin entre ellas. Las molculas no polares tienen un momento dipolar de cero; los momentos dipolares de las molculas polares siempre son mayores que cero y aumentan al aumentar la polaridad de la molcula.

Para predecir si una molcula es polar o no, necesitamos considerar si la molcula tiene o no enlaces polares y las posiciones relativas de estos enlaces. Podemos correlacionar los tipos de geometra molecular con el momento dipolar aplicando una regla general a una molcula de tipo ABn (A es el tomo central, B es el tomo terminal y n es el nmero de tomos terminales). Una molcula de este tipo no ser polar si satisface todas las condiciones siguientes:

Molculas no polares. Todos los tomos (o grupos) terminales son iguales, y todos los tomos (o grupos) terminales estn dispuestos simtricamente alrededor del tomo central.Molculas polares Uno o ms tomos terminales diferentes de los otros, o Los tomos terminales no estn dispuestos simtricamente.

Como ejemplo, consideremos al dixido de carbono, CO2, una molcula triatmica lineal. Cada enlace C=O es polar porque el oxgeno es ms electronegativo que el carbono, as que O es el extremo parcialmente negativo del dipolo del enlace. Todos los tomos de oxgeno estn a la misma distancia del tomo de carbono, ambos tienen la misma carga d-, y estn dispuestos simtricamente a cada lado del C. Por tanto, sus dipolos de enlace se cancelan y producen un momento dipolar molecular de cero. Aunque cada enlace C=O es polar, el CO2 es una molcula no polar. La situacin es diferente en el agua, una molcula triatmica angular. Aqu, ambos enlaces OH son polares, y los tomos de H tienen la misma carga d+. Observe, que los dipolos de enlace no estn dispuestos simtricamente; no apuntan directamente el uno al otro o en la direccin opuesta, sino que se suman para dar un momento dipolar de 1.85 D. As el agua es una molcula polar.

DISOLVENTESUn disolvente o solvente es una sustancia que permite la dispersin de otra sustancia en esta a nivel molecular o inico. Es el medio dispersante de la disolucin. Normalmente, el disolvente establece el estado fsico de la disolucin, por lo que se dice que el disolvente es el componente de una disolucin que est en el mismo estado fsico que la misma. Usualmente, tambin es el componente que se encuentra en mayor proporcin.

Disolventes polares: Son sustancias en cuyas molculas la distribucin de la nube electrnica es asimtrica; por lo tanto, la molcula presenta un polo positivo y otro negativo separados por una cierta distancia. Hay un dipolo permanente. El ejemplo clsico de solvente polar es el agua. Los alcoholes de baja masa molecular tambin pertenecen a este tipo. Los disolventes polares se pueden subdividir en: Disolventes polares prticos: contienen un enlace del O-H o del N-H. Agua (H-O-H), etanol (CH3-CH2-OH) y cido actico (CH3-C(=O)OH) son disolventes polares prticos. Disolventes polares aprticos: son disolventes polares que no tiene enlaces O-H o N-H. Este tipo de disolvente que no dan ni aceptan protones. La acetona (CH3-C(=O)-CH3) y THF o Tetrahidrofurano son disolventes polares aprticos.

Disolventes apolares: En general son sustancias de tipo orgnico y en cuyas molculas la distribucin de la nube electrnica es simtrica; por lo tanto, estas sustancias carecen de polo positivo y negativo en sus molculas. No pueden considerarse dipolos permanentes. Esto no implica que algunos de sus enlaces sean polares. Si los momentos dipolares individuales de sus enlaces estn compensados, la molcula ser, en conjunto, apolar. Algunos disolventes de este tipo son: el dietilter, benceno, tolueno, xileno, cetonas, hexano, ciclohexano, tetracloruro de carbono es el que disuelve o va a disolver, o tambin el diablo rojo, etc. El cloroformo por su parte posee un momento dipolar considerable debido a que las poseer tres cloros en su molcula de carcter electronegativo, hace que el carbono adquiera una carga parcial positiva y el Hidrgeno una carga parcial negativa, lo que le da cierta polaridad.

Compuesto Orgnico

Compuesto orgnico o molcula orgnica es una sustancia qumica que carbono, formando enlaces carbono-carbono y carbono-hidrgeno. En muchos casos contienen oxgeno, nitrgeno, azufre, fsforo, boro, halgenos y otros elementos menos frecuentes en su estado natural. Estos compuestos se denominan molculas orgnicas. Algunos compuestos del carbono, carburos, los carbonatos y los xidos de carbono, no son molculas orgnicas. La principal caracterstica de estas sustancias es que arden y pueden ser quemadas (son compuestos combustibles). La mayora de los compuestos orgnicos se producen de forma artificial mediante sntesis qumica aunque algunos todava se extraen de fuentes naturales.

Compuesto inorgnico Se denomina compuesto qumico inorgnico a todos aquellos compuestos que estn formados por distintos elementos, pero en los que su componente principal no siempre es el carbono, siendo el agua el ms abundante. En los compuestos inorgnicos se podra decir que participan casi la totalidad de elementos conocidos.Mientras que un compuesto orgnico se forma de manera natural tanto en animales como en vegetales, uno inorgnico se forma de manera ordinaria por la accin de varios fenmenos fsicos y qumicos: electrlisis, fusin, etc. Tambin podran considerarse agentes de la creacin de estas sustancias a la energa solar, el agua, el oxgeno. Los enlaces que forman los compuestos inorgnicos suelen ser inicos o covalentes.

3. MATERIALES

MATERIALESREACTIVOS

Mechero bunsen.Pinza EsptulaTubos de ensayo. Matraz ErlenmeyerProbeta Pizeta Soporte universalEstufaCinta de magnesioClipsTablero con un focoEtanolCloroformoMetanolPropanolCCl4BencinaAcetonaGlucosaHidrxido de sodioAguaCloruro de sodioKClLiClCuCl2CaCl2BaCl2SrCl2CuSO4FeSO4BaCl

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALA. Experimentar el color de flama de los siguientes elementos y calculamos la energa. Sacamos muestras de los metales a utilizar en un clip doblada en forma de cucharita y lo sometemos a calor.

Se toma nota sobre el color que disipa cada sustancia.SustanciaFormula qumicaColoracin de la flamaLongitud de onda

Cloruro de potasioKClVioleta415nm

Cloruro de LitioLiClRojo escarlata675nm

Cloruro de CalcioCaCl2Rojo naranja605nm

Sulfato de CobreCuSO4Azul verdoso472.5nm

Cloruro de BarioBaCl2Verde532.5nm

Cloruro de EstroncioSrCl2Rojo685nm

Cloruro de SodioNaClNaranja605nm

Sulfato de fierroFeSO4Chispas doradas520nm

Cloruro de cobreCuCl2Verde532.5nm

Cinta de magnesioMgBlanco----------

ColorLongitud de onda

Violeta~ 380-450 nm

Azul~ 450-495 nm

Verde~ 495-570 nm

Amarillo~ 570590 nm

Naranja~ 590620 nm

Rojo~ 620750 nm

Luego se procede a realizar los clculos de la frecuencia y la energa que produce con las siguientes formulas. = c / fy E= hxf = longitud de onda de la luz.c = velocidad de la luz en el espacio (300,000 Km/seg)f = frecuenciah= es la Constante de Planck (6.62x10-34 J. s)

B. Enlaces qumicos, determinar si son enlaces inicos o covalentes) Primeramente preparamos muestras de diferentes sustancias de 2ml cada una, luego se adiciona agua destilada. Si en caso la muestra fuera solida se diluye bien con una bagueta.

SustanciasCantidad

NaCl2ml

NaOH

Etanol

CuSo4

Propanol

Acetona

Glucosa

Cloroformo

BaCl

2ml muestramlH2O destiladaml

Se colocara los cables dentro del liquido muestra y se observara si el foco se prende o no (tabla 02).

C. Determinar la polaridad molecular en las siguientes sustancias.

Tomamos 10 gotas de cada sustancia y se coloca en dos tubos de ensayo a una de ellas se adiciona agua y la otra 2ml de bencina.

EtanolEtanol

Observamos si se forma una fase o dos lo semejante disuelve lo semejante (Tabla 03).Polar + polar = 1 FaseApolar + apolar = 1faseApolar + polar = 2 fases

5. CLCULOS Y RESULTADOSDel KCl: Violeta = =415nmx10-9m/1nm=415X10-9mf = C/ f = f= 7.23x1014s-1E= h. f

E=E=47.86x1020J

Este clculo se realiza para toda las sustancias.

TABLA 01: calculo de frecuencia y energa. Formula qumicaColoracin de la flamaFrecuencia (f)Energa (E)

KClVioleta7.23x1014s-147.86x1020J

LiClRojo escarlata4.44 x1014s-129.39x1020J

CaCl2Rojo naranja4.96 x1014s-132.84 x1020J

CuSO4Azul verdoso6.35 x1014s-142.04 x1020J

BaCl2Verde5.63 x1014s-137.27 x1020J

SrCl2Rojo4.38 x1014s-128.99 x1020J

NaClNaranja4.96 x1014s-132.84 x1020J

FeSO4Chispas doradas5.77 x1014s-138.20 x1020J

CuCl2Verde5.63 x1014s-137.27 x1020J

MgBlanco--

TABLA 02: enlaces inicos o covalentesSustanciasTipo de enlace

NaClInico

NaOHInico

EtanolCovalente

CuSO4Inico

PropanolCovalente

AcetonaCovalente

Glucosa Covalente

CloroformoCovalente

BaCl2Inico

TABLA 03: polaridad (polar o apolar)SustanciaH2OBencina

Etanol1 fases1 fase

Acetona2 fases1 fase

Cloroformo1 fase1 fase

Metanol2 fases1 fase

Propanol1 fases1 fase

CCl42 fases1 fase

6. RECOMENDACIONES

Cuando sobra la sustancia utilizada no devolver al frasco porque esta se contamina; simplemente se desecha. Cuando se utiliza mechero bunsen limpiar, porque puede provocar una reaccin inadecuada al color de llama de las sustancias experimentadas. Manipular con cuidado los cidos debido a su propiedad corrosiva. Ser cuidadoso con la manipulacin de materiales de vidrio. Dejar limpio los materiales usados y la mesa de trabajo.

7. CONCLUSIONESPara realizar exitosamente este mtodo de identificacin de colores es necesario tener cuidado al manipular las sustancias y utensilios en cuestin, ya que fcilmente pueden ser contaminados. Estas sustancias al ser sometidas a fuego la reaccin son muy rpidas, con colores intensos y muy llamativos. El cual nos permiti calcular la frecuencia y la energa producida.Se aprendi a conocer como determinar si una sustancia presenta enlace inico o covalente.Tambin se logro determinar la polaridad de algunas sustancias a travs de las fases que estas presentan al combinarse con disolventes.

8. BIBLIOGRAFIA

BROWN, T.L. LEMAY, H.E. & BURSTEN, B.E. Qumica: La ciencia central. Pearson-Prentice, novena edicin. Mxico 2004

Enciclopedia Microsoft Encarta 2002 , buscar por: espectroscopia, angstrom, anlisis qumico.

ASOCIACIN FONDO DE INVESTIGACIN Y EDITORES. Qumica: anlisis de principios y aplicaciones Tomo I, editorial Lumbreras, segunda edicin, Lima-Per 2006.

14Ingeniera Ambiental y Recursos Naturales