unidad n°1 quimica

1° Clase. Química Técnico Superior en Seguridad, Higiene Medio Ambiente.Prof. González, CarolinaUnidad N° 1: Clasificación experimental de las sustancias. Propiedades de la materia. Cambios Físicos y Químico. Sistemas Materiales. Clasificación

¿Por qué estudiamos Química?

La materia es todo material físico del universo que posee masa y ocupa un lugar en el espacio. La química se encarga de estudiar la materia así como sus propiedades, composición y transformaciones. En una transformación física la composición de la materia no cambia (Ej. cuando hierro sólido puro es calentado hasta temperaturas de 1535°C éste se funde, es decir representa un cambio físico), mientras que en una transformación química la composición de la materia se altera como por ejemplo una reacción química. La Figura 1 muestra que la materia puede estar constituida por una única sustancia o por un conjunto de ellas llamada mezcla. A su vez, una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto

Un elemento o sustancia simple es aquella que está constituida por una única clase de átomos. Por ejemplo, el oxígeno que respiramos es un elemento porque sus moléculas están formadas sólo por átomos de oxígeno. Mientras que un compuesto o sustancia compuesta es aquella que está formada por átomos de elementos diferentes, como por ejemplo el agua. Estos elementos o compuestos pueden explorarse en una escala macroscópica mediante lo que perciben nuestros sentidos o en una escala microscópica donde se estudia la química en función de átomos y moléculas. Entendiéndose por átomo la partícula más pequeña de un elemento que mantiene su

1° Clase. Química Técnico Superior en Seguridad, Higiene Medio Ambiente.Prof. González, Carolinaidentidad química a través de cambios (físicos y químicos) y por molécula a un agregado de por lo menos dos átomos en una configuración definida, que se mantienen unidos mediante fuerzas químicas.

Los átomos de oxigeno individuales no son estables a temperatura y presión ordinarias. En el caso del oxígeno se combinan de a pares formando moléculas diatómicas, O2. Otros ejemplos de moléculas diatómicas son hidrógeno, nitrógeno, flúor, cloro, bromo y yodo. En la Figura 2 puede verse una representación de una transformación química donde a partir de las sustancias simples oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) se forma el agua (H2O) que es un compuesto.

Otros elementos existen como moléculas más complejas. Las moléculas de fósforo consisten de cuatro átomos mientras que el azufre existe a temperaturas y presiones ordinarias como moléculas octoatómicas. La Figura 3 muestra representaciones de moléculas diatómicas y poliatómicas.

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ESTADOS EN QUE SE PRESENTA LA MATERIA En la naturaleza la materia se encuentra en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Dichos estados poseen propiedades observables diferentes. Un sólido se caracteriza

1° Clase. Química Técnico Superior en Seguridad, Higiene Medio Ambiente.Prof. González, Carolinapor tener forma y volumen propios. En un sólido las moléculas se mantienen unidas en forma organizada, con poca libertad de movimiento. Mientras que un líquido posee volumen propio pero no tiene forma definida, adopta la del recipiente que lo contiene. En un líquido, las moléculas están unidas, pero pueden moverse libremente. Líquidos y sólidos no pueden ser comprimidos apreciablemente. Un gas se ajusta al volumen y a la forma del recipiente que lo contiene pudiendo ser comprimido o expandido. Su volumen es variable y su forma no es fija. Cuando un gas es calentado a muy altas temperaturas como las existentes en el sol los átomos de un gas se “ionizan”, es decir que los mismos pierden electrones y queda un gas de partículas cargadas conocido como plasma. El mismo constituye el cuarto estado de la materia. En la Figura 4 se comparan los estados de la materia mediante ejemplos.

La Figura 5 muestra los tres estados físicos del agua desde el punto de vista macroscópico y vistas moleculares que indican que las moléculas de agua están más ordenadas en el estado sólido que en el líquido. Mientras que las moléculas en el estado gaseoso están muy separadas comparadas con el líquido.


Figura 5: Laguna en la que el agua se encuentra en tres estados: sólido, líquido y gaseoso, de acuerdo a las condiciones de presión y temperatura. Las imágenes ampliadas muestran moléculas de agua en la que cada esfera roja representa un átomo de oxígeno y cada esfera gris un átomo de hidrógeno. a) Agua sólida, con empaquetamiento bastante compacto, cada molécula consta de un átomo de oxígeno (rojo) y dos átomos de hidrógeno (gris). b) Agua liquida donde las moléculas de agua son bastante móviles y están más separadas. c) Agua en forma gaseosa, aquí las moléculas están muy alejadas entre sí.

Sistemas materiales. Métodos de separación de mezclas

Las diversas sustancias que existen se encuentran en uno de las tres formas que

puede tomar la materia: sólido, líquido o gas. Estos se llaman estados de agregación de

la materia o estados físicos de la materia. El plasma, un conjunto de partículas

gaseosas eléctricamente cargadas, con cantidades aproximadamente iguales de iones

positivos y negativos, se considera a veces un cuarto estado de la materia. Para

explicar estos estados se utiliza la teoría molecular, basada en los siguientes

supuestos:


a) La materia está formada por moléculas que se encuentran en continuo

movimiento.

b) Entre las moléculas hay fuerzas de atracción que las aproximan, denominadas

fuerzas de cohesión.

c) Cuanto mayor es la fuerza de cohesión, las moléculas están más próximas entre sí

y en consecuencia su movimiento es menor.

Esta teoría permite formular los correspondientes modelos para gases, líquidos

y sólidos:

Los gases:

Las moléculas están muy dispersas y se mueven libremente

No ofrecen ninguna resistencia a los cambios de forma y muy poca a los

cambios de volumen. Como resultado, un gas no confinado tiende a difundirse

indefinidamente, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad.

Las fuerzas de cohesión son muy débiles y, por lo tanto las moleculares

se separan fácilmente, ocupando un volumen casa vez mayor (expansibilidad).

Cuando un gas esta encerrado en un recipiente, las moléculas en

su movimiento chocan entre si y contra las paredes del recipiente, ejerciendo

presión.

Si se ponen en contacto con dos gases, las moléculas de uno se mezclan

rápidamente con las del otro y viceversa. Este fenómeno se denomina difusión.

Los sólidos:

Se caracterizan por su resistencia a cualquier cambio de forma,

resistencia que se debe a la fuerte atracción entre las moléculas que los

constituyen. Al observar los cuerpos en estado sólido, vemos que se

caracterizan por mantener su volumen y conservar su forma.

Las fuerzas de cohesión son muy intensas por lo cual los espacios entre

las moléculas de los sólidos son muy pequeños y, por lo tanto, carecen de

movimiento de traslación.

Al no tener movimiento de traslación, la forma permanece constante al

igual que el volumen.


Las partículas o moléculas que los constituyen ocupan posiciones

fijas y sólo realizan movimientos vibratorios.

Las partículas están distribuidas de manera ordenada en todas las

direcciones del espacio, adoptando determinadas formas geométricas (cubo,

prisma, etcétera).Esto se denomina estructura cristalina.

Los líquidos:

Presentan una atracción molecular suficiente para resistirse a las

fuerzas que tienden a cambiar su volumen.

Las fuerzas de cohesión son mayores que en los gases y por eso las

moléculas están más próximas entre sí y se mueven a menor velocidad.

La intensidad de las fuerzas de cohesión no permite que las moléculas se

separen y mantiene el volumen constante.

Las moléculas pueden deslizarse unas sobre otras, por lo cual fluyen y se

derraman modificando su forma.

La atracción de la gravedad hace que las moléculas ocupen los espacios

inferiores delos recipientes cualquiera sea su forma.

El movimiento continuo de las moléculas hace que choquen entre sí y

con las paredes del recipiente, ejerciendo una presión sobre las mismas.

Para aclarar: La manera más aproximada de definir la MATERIA es decir que es todo

aquello que tiene masa, que ocupa un lugar en el espacio y que puede ser captado por

los sentidos.

La materia está constituida por partes imperceptibles a simple vista, las

moléculas y a su vez por otras aún más pequeñas, los átomos.

Así, es materia el alimento que ingerimos, la ropa con la que nos vestimos, el

aire que respiramos. Entonces materia es todo lo que nos rodea. Nosotros mismos

somos materia. El Universo es materia.


Esta materia se presenta ante nuestros sentidos con formas

determinadas, es decir, como CUERPOS. Cuerpo es una porción limitada de materia.

La luna, un espejo, una foca, un auto son ejemplos de cuerpos.

También los cuerpos se diferencian entre sí porque pueden estar constituidos

por diferentes MATERIALES. Los MATERIALES son los diferentes tipos de

componentes o de sustancias que constituyen los cuerpos.

Los cuerpos pueden estar constituidos por diferentes materiales, por ejemplo

una cadena de oro y una cadena de plata. Ambas cadenas son cuerpos pero el oro y la

plata son diferentes materiales con los que se confeccionó dichos cuerpos.

Pero también diferentes cuerpos pueden estar constituidos de un mismo

material, por ejemplo un anillo y una pulsera de oro. El anillo y la pulsera son cuerpos

distintos pero confeccionados con el mismo material, el oro.

Siste m as m ateriales ho m ogéneos y heterogéneos

Supongan que se quiere estudiar qué ocurre con la materia y con la energía cuando:

preparan un asado

agregan cubos de hielo a una bebida

mezclan dos temperas de distinto color

Para poder analizar estas situaciones, es necesario delimitar la porción de materia que se estudia. Por ejemplo si analizamos el ejemplo de la bebida no consideraremos el recipiente que la contiene. Esta parte limitada de materia se conoce como sistema material.

Se llama sistema material a una porción limitada del universo que se separa, real o imaginariamente, para su estudio. Pueden ser ejemplos de sistemas materiales: para un físico nuclear dos protones que interactúan; para un astrónomo la vía láctea; para un químico una reacción que se realiza en un erlenmeyer; etc..Aún cuando el sistema ha sido separado del universo o ambiente que lo rodea, queda circundado por un medio. Cuando se estudia un sistema material dicho medio debe ser considerado.Por ejemplo: si se coloca un recipiente que contiene un gas en un baño con agua a temperatura constante (un termostato), el gas es el sistema que se está estudiando y

1° Clase. Química Técnico Superior en Seguridad, Higiene Medio Ambiente.Prof. González, Carolinael termostato el medio; los límites del sistema son las paredes del recipiente que contiene el gas.

Los sistemas materiales pueden clasificarse de diversas maneras atendiendo a distintos criterios. En función del pasaje de masa y energía entre el sistema y el medio, estospueden clasificarse en: abierto, cerrado y aislado.Sistema Abierto: hay transferencia de masa y energía entre el sistema y el medio o viceversa.

En este sistema, la masa de agua recibe calor -energía térmica- procedente de su medio, simultáneamente parte de la masa de agua convertida en vapor pasa al medio.Sistema Cerrado: solamente hay intercambio de energía entre el sistema y el medio o viceversa.


El agua que se calienta dentro de un erlenmeyer tapado constituye un sistema cerrado. Hay transferencia de calor como en el caso anterior, pero como el vapor del agua no puede escapar, no hay transferencia de masa.Sistema Aislado: no hay pasaje de masa ni de energía del sistema al medio o viceversa.

Un termo tapado, cuya doble pared de vidrio no es atravesada por la masa de agua ni por el calor, constituye un sistema aislado.

Al analizar las propiedades intensivas de un sistema se observa que:

Si las propiedades intensivas son las mismas en cualquier parte del sistema, se trata de un sistema homogéneo. Por ejemplo un terrón de azúcar o agua d ela canilla

En cambio si las propiedades intensivas difieren en al menos dos puntos de un sistema, se trata de un sistema heterogéneo.

Si aplicamos métodos de fraccionamiento de fase a un sistema homogéneo puede suceder que obtengamos dos o más componentes o solamente obtengamos uno. De lo

1° Clase. Química Técnico Superior en Seguridad, Higiene Medio Ambiente.Prof. González, Carolinaexpuesto se deduce que los sistemas homogéneos se pueden clasificar en: sustancias puras y soluciones.

Definimos sustancia pura como un sistema homogéneo a partir del cual no es posible obtener otras sustancias por métodos de fraccionamiento de fase. Una sustancia pura queda caracterizada por propiedades específicas constantes, siempre que sean determinadas en las mismas condiciones experimentales. En adelante cuando hablemos de sustancias, nos referiremos a sustancias puras llamadas también especies químicas.

Definimos solución como un sistema homogéneo formado por dos o más componentes que puede fraccionarse por medio de destilación o cristalización. Dichos componentes a su vez son sustancias puras. Cuando una mezcla es homogénea y no se pueden distinguir sus componentes estamos en presencia de una solución.

Mezclas: En contraste con aquella clase de materia que tiene siempre las mismas propiedades bajo las mismas condiciones de observación, hay otras que tienen propiedades variables. Por ejemplo la leche: contiene agua, grasas, proteínas, hidratos de carbono y otras sustancias; sus propiedades varían de acuerdo a la cantidad relativa de sus componentes.En el sistema azufre y limaduras de hierro, el color varía según la cantidad relativa de estos componentes.Esta clase de sistemas que tienen propiedades físicas variables se denominan mezclas y las sustancias que las forman componentes.Por lo tanto podemos definir mezcla como un sistema formado por dos o más componentes donde los mismos conservan sus propiedades características mientras que las propiedades del sistema son variables y dependen de la relación de cantidades de los componentes.

Como resultado de la aplicación de los métodos de separación de fases, un

sistema heterogéneo queda dividido en sistemas homogéneos.

Es posible intentar la aplicación de nuevos métodos que permitan decidir si una fase a

su vez está formada por uno o más componentes. Si la fase está formada por dos o mas

componentes estamos en presencia de una solución, si en cambio está constituida por

un sólo componente es una sustancia pura.

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