tema 7 introducciÓn a la quÍmicachopo.pntic.mec.es/jmillan/fq1_t_7.pdf133 tema 7 introducciÓn a...
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tema 7 INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA
1.- LA QUÍMICA La Química fue en un principio una rama de la Física. Esta tuvo su origen en observaciones caseras e ingenuas realizadas por el hombre primitivo: la caída de las rocas por las pendientes; la mano se secaba mejor moviéndola, las transformaciones de los elementos al ser calentados, etc... Al estudio de la materia y su comportamiento en el medio ambiente, los antiguos pensadores le llamaron Filosofía Natural. De esta disciplina, más depurada en sus métodos y más exigente en sus conclusiones, surgió la ciencia física. A ella pertenece cualquier fenómeno que se refiera a la materia y a la manera de comportarse la materia en su medio ambiente; abarcaba todos los fenómenos de la materia, sin establecer distinción entre ellos. Al aumentar el caudal de conocimientos sobre el mundo físico, y al hacerse cada día más intrincados, se fue experimentando la necesidad de dividir y subdividir la física primitiva, a lo que ayudó la observación de que cierto número de fenómenos podían asociarse fácilmente en sectores de estudio casi independientes. Surgieron así diversas ramas: - Geología: estudio de la materia tal como se halla nativa en la corteza de la Tierra. - Astronomía: descripción de los fenómenos celestes. - Biología: origen, estructura, funciones e historia de los seres vivos - Física y Química. No es posible definir fronteras precisas entre estas disciplinas, como puede verse por la existencia de científicos que se denominan a sí mismos bioquímicos, químico físicos, astrofísicos, geoquímicos, etc.. La Química, como rama distinta de las anteriores, puede definirse como la "Ciencia Experimental que estudia la separación, síntesis, identificación o análisis, propiedades y comportamiento de las sustancias puras que componen la materia." 2.- LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA: SUSTANCIAS SIMPLES, COMPUESTAS Y MEZCLAS La materia se define como todo aquello que ocupa un espacio (extensión), tiene peso (gravitación) e inercia (tendencia a seguir en su estado de reposo o movimiento rectilíneo y uniforme). Estas tres propiedades generales que identifican lo material, se cuantifican mediante dos magnitudes: volumen y masa. Por ello, podemos decir también que la materia es aquello que posee volumen y masa. A estas propiedades generales hay que añadir otra más: la carga eléctrica, propiedad que puede manifestarse de dos formas: positiva y negativa. Además de las propiedades comunes masa y volumen, cada clase de materia posee unas propiedades características que la diferencian otras. - Densidad: Representa la relación entre la masa de un cuerpo y su volumen.
m
kg[=] SIel en unidad su
V
m =
3
- Estado de agregación: Aunque todas las distintas clases de materia pueden obtenerse dependiendo de las condiciones, en los tres estados de agregación: sólido, líquido y gas; en
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disolvente soluto
disolución coloide suspensión heterogénea
condiciones ambientales normales cada clase de materia se nos presenta en uno de ellos, así el agua es un líquido, el hierro un sólido y el oxígeno un gas. - Temperatura de fusión: Es la t・ a la que cada clase de materia pasa de estar en estado sólido a estado líquido (0ºC para el agua, -117ºC para el alcohol, 1.539ºC para el hierro, etc..) - Temperatura de ebullición: Es la t・ a la que cada clase de materia hierve (100ºC para el agua, 78ºC para el alcohol, 3.000ºC para el hierro, etc..) - Solubilidad: o cantidad de cada clase de materia que se disuelve en un disolvente determinado, generalmente en agua. - Conductividad térmica: mayor o menor facilidad de cada clase de materia para conducir el calor. - Conductividad eléctrica: mayor o menor facilidad de cada clase de materia para conducir la corriente eléctrica. - Color, olor, sabor (= propiedades organolépticas): son propiedades subjetivas no cuantificables y que muchas veces dependen del grado de división en que se encuentra la materia. - Otras muchas propiedades como: dureza, viscosidad, fragilidad, maleabilidad, elasticidad, difusión, compresión, dilatación,... Un sistema material o cuerpo, no es más que una porción de materia que en un momento determinado consideramos para su estudio. Puede estar limitado por una superficie "real", como por ejemplo: un pedazo de tiza; o por una superficie" imaginaria", por ejemplo: una porción de agua de mar. Según cómo estén formados los sistemas pueden dividirse en: 1.- Homogéneos: si poseen las mismas propiedades en todos sus puntos 2.- Heterogéneos: si poseen zonas con diferentes propiedades, a cada una de las cuales se les llama fases. La superficie de separación entre dos fases se denomina interfase. Hay que tener en cuenta que si bien un sistema puede parecer homogéneo, si se observa con los medios adecuados acaba siendo siempre heterogéneo, debido al carácter discontinuo de la materia. Por ejemplo, el humo, puede parecer homogéneo a simple vista, pero si se analiza microscópicamente, aparecen en ella infinidad de partículas distintas. Así pues la diferenciación homogéneo/heterogéneo es un tanto artificial. Normalmente para decidir si un sistema es lo uno o lo otro, se utilizará la simple vista. La mejor manera de clasificar los distintos tipos de mezclas es atender a la diferencia entre los tamaños de sus partículas, obteniendo dos estados intermedios entre la homogénea y la heterogénea:
Mezcla: Diámetro de sus partículas:
Mezcla homogénea < 1 nm (10-9 m) (no se separan por filtración)
Mezcla coloidal > 1 nm y < 200 nm (se separan por ultrafiltración)
Suspensión ≈200 nm (se separan por filtración o decantación)
Mezcla heterogénea > 200 nm (se separan fácilmente por filtración o decantación)
Todos los sistemas materiales que podamos imaginar están formados por sustancias puras o mezclas de ellas. Cuando en un sistema material se pueden separar más de una sustancia pura, decimos que es una mezcla, y a cada una de las sustancias que lo forman le llamamos componente. Las mezclas homogéneas, reciben el nombre de disoluciones
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Distintos ejemplos de coloides:
Medio de dispersión Componente disperso Ejemplos
Gas Líquido Nubes, brumas, nieblas
Gas Sólido Humos, smog
Líquido Gas Espuma, nata batida
Líquido Líquido Mahonesa, mantequilla
Líquido Sólido Pinturas, tinta
Sólido Líquido Geles, queso
Hay ciertas sustancias puras que por acción del calor (descomposición térmica) o por acción de la corriente eléctrica (electrólisis) pueden sufrir transformaciones químicas, originando nuevas sustancias. Así ocurre por ejemplo con el azúcar, el agua,...En ese caso decimos que dichas sustancias son compuestos. Por otra parte, existen ciertas sustancias que ni sufren descomposición térmica ni electrolisis, por lo que se denominan sustancias simples o elementos. Este es el caso del hierro, el cobre, el oxígeno, etc... Resumiendo diremos que: * Mezcla heterogénea: Es aquel sistema formado por dos o más sustancias puras y cuyas propiedades difieren de unos puntos a otros, donde se observan interfases. Por ej. una mezcla de agua y arena. * Suspensión: es aquel sistema con un componente disperso de partículas en torno a los 200 nm de diámetro. * Mezcla coloidal: es aquel sistema intermedio con partículas de soluto entre 1 nm y 200 nm de diámetro. * Disolución: Es aquel sistema formado por dos o más sustancias puras de diámetro menor de 1nm y cuyas propiedades son idénticas en todos sus puntos. Por. ej. el aire, el agua de mar. * Sustancia pura: Es aquel sistema que se caracteriza por poseer unas propiedades características propias (t・ fusión, t・ ebullición, densidad,...) De una sustancia pura no pueden separase otros componentes por medios físicos tales como filtración, decantación, destilación, etc.. * Elementos: Son aquellas sustancias puras que no pueden descomponerse en otras, ni térmicamente, ni por electrólisis, ni por ningún otro método. * Compuestos: Son aquellas sustancias puras que originan otras nuevas sustancias por descomposición térmica, electrolisis,..
3.- TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE SUSTANCIAS Existen una serie de técnicas de laboratorio que pueden emplearse para separar las distintas sustancias puras que componen una mezcla, ya sea ésta heterogénea o disolución.
3.1.- DE
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3.5.- DE diferenci
ECANTACIÓ
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ILTRACIÓN
Se emplea éneas de e un embudo, se hace paquido pasa a
mientras que en pasar y q
VAPORACIÓ
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ÓN
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para separsólidos en
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ÓN Y CRISTA
N
sirve para seraturas de eb
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ALIZACIÓN
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N
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omponentes os mismos.
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ENTRIFUGA
la decantacor acción de lue puede sela separació
Sirve paros. Para elorar el líquido, calenporación), o
que el sólids horas e riormente sente.
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vedad, y trasintos recipien
ACIÓN
ción y consisa fuerza center muy inten mucho m
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incluso díae filtra para
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ensa (varias más rápidame
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uidos, y se b
136
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ueltos en zcla para
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asa en la
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XTRACCIÓN
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ROMATOGR
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CROMATOG
Sirve para sediferente ve
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N
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RAFÍA
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GRAFÍA EN
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SUPERFICI
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IE POROSA
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137
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3.8.- EL velocidado matriz
CROMATOG
CROMATOG
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LECTROFOR
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GRAFIA EN
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GRAFIA DE
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RESIS
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GASES
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138
columna se quiere
disolvente retiene,
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ustancias
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Para ello se orético, geney usado el ón tampón)s en las moón (pigment En los extremdos a un one una difeLa velocidaas que comp1.- Su tamañ2.- De la car3.- De la difeba de electro
NICAS ACTECUALAR
SPECTRÓGR
Para identificasí como suEsta técnic
o, determina
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LISIS DE SU
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ncias.
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USTANCIAS
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orética.
: ESPECTRO
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OSCOPÍA AT
(atómos, moel espectrógntos isótopo
139
TÓMICA
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Espec
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desvían con uidentificar. U
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ctrógrafo gens presentes y
ctro de masas d
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SPECTROSC
Las espectron electromag
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En el caso p
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del elemento Me
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COPÍA DE UV
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e intensidad e forma que
I (x) = I
particular de
alizar se vaes bombardea
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ercurio Hg. El ár
ativa del neóne sus isótopos
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eneral son téVisible, UV,..)
I0 atraviesa :
I0 e-μx dond
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u
E
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ndo una ond
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del espectrócorriente quede las especmasas, que
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atraviesa un
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medio.
n medio tran
140
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Un espectrof
Un rayo de s que otro rediante un fo
Se denomina y la incident
Se denomina
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trario de la t
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s consiste enzando disoluc
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én en % )
transmitanci
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141
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ión de
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SPECTROSC
La espectrosnar cuantitaty semimetale
La muestra avente y la dis
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COPÍA DE AB
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a analizar se sociación en
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ués de pasarcantidad de
Anális
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BSORCIÓN
bsorción atómayoría de
alta precisión
disuelve y seátomos de la
na con una e analizar. Elemento. Mid
r por la mueluz absorbid
sis de estroncio
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ATÓMICA
ómica es unelementos q
n.
se nebuliza soa muestra.
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(llama roja) (La
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na técnica inquímicos del
obre una llam
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de concentraés de dicha c
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ación desconcurva sin má
capaz de deiódico, espec
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o) específica e correspondd de la luz inad presente n del mismo.
142
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5.- TEO un 4・ qupropieda Gas
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las partícestos est
SPECTROSC
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a para identas, ya que lo
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ORÍA CINÉTI
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ma propia umen propio esibles
tan fácilmente anden nden
n Presión uniformdel recipiente
La Teoría Ciculas integratados.
COPÍA INFR
de espectroscel espectro on la materia
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bsorbida.
ICO MOLEC
puede presens abundante rísticas de cad
me en todas las
nético Molecantes de la m
RARROJA
copía que utelectromag
a.
ulas, especialovalentes preden absorbecuencia natula frecuencia
CULAR
ntarse en nuedel Universoda estado de
Líquidos
- Sin forma p- Volumen co- Poco compr- Fluidos - Dilatan med- Ejercen prerecipiente y vsubimos por
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tiliza la gnético
lmente esentes er este ural de a de la
estro planetao llamado plae agregación
propia onstante resibles
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o científico qy lo consigue-
ados: sólido,que todavía n
Sólidos
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, líquido y gano estudiare
propia en propio nte compresiblesnimamente n presión en la pcipiente.
o comportamdades macrof
143
as -existe emos. Las
s
pared del
mientos a físicas de
144
5.1.- TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR DE LOS GASES Los pilares básicos de la TCM para explicar las propiedades de los gases son:
Los gases están constituidos por un número muy elevado de partículas que están en movimiento rápido e incesante. Las partículas chocan entre sí y contra las paredes del recipiente, lo que implica un movimiento en zigzag, sin direcciones privilegiadas y a diferentes velocidades. La presión (P) del gas contra las paredes del recipiente que lo contiene es consecuencia de los choques de las partículas. Los choques entre sí y con las paredes del recipiente son perfectamente elásticos, es decir, en cada choque no se pierde energía cinética en calor.
Las partículas son pequeñísimas y están muy separadas entre sí, con lo que las interacciones (fuerzas) entre ellas son casi nulas y su volumen es despreciable con respecto al volumen total del gas. La velocidad o agitación media de las partículas se mide con la Temperatura. A2.- Intenta explicar las propiedades macrofísicas de los gases a la luz de la TCM. 5.2.- TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR DE LOS LÍQUIDOS Las ideas principales de la TCM para el estado líquido son: Las partículas del líquido se mueven de una manera desordenada por todo su volumen pero a menor velocidad que las de un gas a la misma t・. Dichas partículas están muy juntas. Son apreciables las interacciones entre las partículas. Dichas interacciones son suficientes para mantener una distancia media constante entre las partículas (ρ = cte) pero no lo suficiente para mantener una estructura fija y ordenada. A3.- Intenta explicar las propiedades macrofísicas de los líquidos a la luz de la TCM. 5.3.- TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR DE LOS SÓLIDOS Las ideas principales de la TCM para el estado sólido son: Las partículas no se desplazan, pero sí se mueven, vibran y rotan en torno a una posición de equilibrio. Las partículas están muy juntas. Las interacciones entre las partículas son muy altas. Dichas interacciones son suficientes para mantener una distancia fija entre las partículas (ρ = cte) y una estructura definida. A4.- Intenta explicar las propiedades macrofísicas de los sólidos a la luz de la TCM. 5.4.- TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR DE LOS CAMBIOS DE ESTADO Al calentar un sólido puro, la energía que se le comunica hace aumentar el movimiento de vibración de las partículas situadas en los nudos de la red cristalina. La temperatura aumenta
gradualmsuficientdesplazala energinteraccipermane partir delas débimovimielo tanto vaporiz
A.5.- Det120ºC. Bu
mente. A parte para venamiento y desgía que se sones cristalinece constante
A medida que cierta temples fuerzas d
entos, este esla Temperatu
zación.
terminar el causcar en la bib
rtir de cierta cer las fuersorden. La esuministra dunas, no parae. Esta energ
ue calentamoperatura, TEBU
de atracciónstado se llamura permane
alor que es nebliografía los
temperatura,rzas de atrastructura crisurante la fusa aumentar lagía recibe el n
os el líquido,ULLICIÓN, toda n que todavíma gas. Duran
ce constante
ecesario aportadatos necesar
, llamada TFU
acción que stalina se dessión se empa agitación, nombre de C
, aumenta la energía seía existen, cnte la ebullicie. Esta ene
tar a 300g de rios.
USION , las parejercen las smorona y el
plea para hacpor lo tanto
Calor latente
la temperatue invierte en consiguiendo ón la partícuergía recibe
hielo a -5ºC p
rtículas adqupartículas v
l sólido comiecer escapar durante la f
e de fusión.
ura y por lo hacer escapun grado m
las no aumenel nombre d
para convertir
uieren energíavecinas, preenza a fundirlas partícula
fusión la tem.
tanto la agipar a las partmayor de libntan su agitade Calor lat
irlo en vapor d
145
a cinética sentando rse. Toda as de las mperatura
tación. A tículas de bertad de ación, por tente de
de agua a
146
ejercicios 1.- Diseña un procedimiento experimental para separar pigmentos los vegetales contenidos en una mezcla de pétalos de flores de distintos colores. 2.- Rellena la tabla
e- p+ n0 A Z
Potasio 19 20
Azufre 32 16
Tecnecio 43 99
Radio 138 88
3.- En la naturaleza existen dos isótopos del cloro: 35Cl17 y 37Cl17, de masas isotópicas 34,9788 y 36,9777 u, que se encuentran en la proporción del 75,59 y 24,41% respectivamente. Determinar con estos datos la masa atómica del cloro