clase01-principios

Química General

Facultad Ingeniería y Tecnología

Jorge [email protected]

Arbol familiar de teorías

QuímicaQuímicateóricateórica

Teoría deTeoría deestructuraestructuraelectrónicaelectrónica

DinámicaDinámica MecánicaMecánicaestadísticaestadística

SemiempíricolSemiempíricolTeoría deTeoría dedensidaddensidadfuncionalfuncional

Ab InitioAb Initio DinámicaDinámicaCuánticaCuántica

DinámicaDinámicamolecularmolecular

Química cuánticaQuímica cuántica

Química:Principios y aplicaciones

En química, la teoría y las aplicaciones se entrelazan como los hilos de un tejido fino.

Las aplicaciones de la química, como la misma ciencia, están bajo un cambio constante.

El cloro es un buen ejemplo de un químico con muchas aplicaciones. Entender la teoría facilita un mejor manejo del químico (elemento o compuesto).

Comenzando:Algunos conceptos claves

Química es el estudio de la composición, estructura y propiedades de la materia y de los cambios que ocurren en la materia.

Materia es todo lo que tiene masa y ocupa espacio. Atomos son las unidades distinguibles más pequeñas en una

muestra de materia. Moléculas son unidades mayores en las cuales se han reunido

dos o más átomos. Compuesto se refiere a los tipos de materia y sus proporciones

relativas en una muestra de materia.

Propiedades

Propiedades físicas Características desplegadas por una muestra de materia

sin experimentar ningún cambio en su composición. Ejemplos: color, olor y conductividad.

Propiedades químicas Características desplegadas por una muestra de materia

que experimenta un cambio en su composición. Ejemplos: quemado, oxidado y reactivado.

Ejemplos

Cambios

Cambios físicos Cambios en apariencia pero sin cambio en su

composición. Ejemplo: derretimiento de hielo en agua.

Cambios químicos Cambios en composición y/o cambios en

estructura molecular. Ejemplo: cocina de comida.

TemperaturaMedida de lo caliente o frío. Se mide con termómetro.

Escalas relativas de temperatura:

Escala de uso general: Celsius (centígrada)Unidad: grado Celsius = ºCSe asigna 0 ºC al punto de congelación del agua y 100 ºC a su punto de ebullición.

Escala estadounidense de temperatura: FahrenheitUnidad: grado Fahrenheit = FSe asigna 32 F al punto de congelación del agua y 212 F a su punto de ebullición.

Escala absoluta de temperatura: KelvinUnidad fundamental SI: kelvin = KEl menor valor que, teóricamente, se puede alcanzar es cero.

373

363

353

343

333

323

313

303

293

283

273

263

253

243

233

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-10

-20

-30

-40

212

194

176

158

140

122

104

86

68

50

32

14

-4

-22

-40

K ºC ºF

el agua ebulle

el agua congela o funde

Comparación de escalas de temperatura

F = (1,8 · ºC) + 32 ºC = (F – 32) / 1,8

Nótese que las escalas Celsius y Kelvin tienen unidades de igual tamaño, pero 0 ºC es equivalente a 273,15 K, por lo tanto:K = ºC + 273,15 , o bien, ºC = K – 273,15.

Convierta 122,9 F a grados Celsius

F = x 0C + 3295

F – 32 = x 0C95

x (F – 32) = 0C95

0C = x (F – 32)95

0C = x (122,9 – 32) = 50,595

Ejercicios

Convierta: 451 F 60 F 70 F 80 F 90 F 100 F 111 F 10.000 F

Convierta: -60 oC -1 oC 14 oC 24 oC 30 oC 36,5 oC 400 oC 6.000 oC

10-9nNano-

10-12

10-15

p

f

Pico-

Femto-

10-6µMicro-

10-3mMili-

10-2cCenti-

10-1dDeci-

103KKilo-

106MMega-

109GGiga-

1015

1012

E

T

Peta

Tera-

CifraSímboloPrefijo

Table Prefijos Usados en SI unidades

Ejercicios

Convierta: 1 Megabyte en bits 640 Kbytes 5 Mbytes 80 Gbytes 1 Mbps

Convierta: 1.024 bytes 1.048.576 bytes 1.073.741.824 bytes 2.048 bits por segundo 100.000 bits por segundo

Sistemas y prefijos

http://en.wikipedia.org/wiki/International_System_of_Units http://en.wikipedia.org/wiki/SI_prefix http://en.wikipedia.org/wiki/Binary_prefix

Clasificación de la materia

Substancia: Tipo de materia con una composición definida, o fija, que

no cambia de una muestra a otra.

Elemento: Substancia que no puede ser quebrada o fraccionado en

substancias más simples por reacción química.

Compuesto: Substancia hecha de átomos de dos o más elementos,

con los diferentes tipos de átomos combinados en proporciones fijas.

Un esquema de clasificación

SUSTANCIA PURA es un sistema material homogéneo formado por una sola clase de moléculas.

ELEMENTOS son sustancias puras integradas por moléculas homoatómicas.

COMPUESTOS son sustancias puras integradas por moléculas o especies heteroatómicos.

Según el número de átomos que las constituyen, las moléculas pueden ser mono-, di- triatómicas, etcétera y, además, homo- (átomos iguales) o hetero-atómicas (al menos dos clases de átomos).

mono-atómicas:metales, gases nobles

di-atómicas:dihidrógeno, dioxígeno, diflúor, fluoruro de

hidrógeno y otrastri-atómicas:

ozono, agua, sulfuro de carbono, dióxido de azufre y otrastetra-atómicas:

(tetra) fósforo, trihidruro de boro y otrasocta-atómicas:

octa-azufre, etano y otras

Mezclas

Una mezcla no tiene composición fija; su composición podría variar sobre un amplio rango.

Una solución es una mezcla que es homogénea, lo que significa que su composición y propiedades son las mismas en todo.

Una mezcla heterogénea varía en su composición y/o propiedades desde una parte de la mezcla a otra.

1_17

Substances tobe separateddissolved in liquid

Pureliquid

A B C

Cromatografía líquida

Cromatografía gaseosa

Símbolos químicos

Una designación de una o dos letras derivadas del nombre del elemento

Química atómica

• Primeros descubrimientos químicos • Electrones y el núcleo atómico• Elementos químicos• Masas atómicas• Tabla periódica

Primeros descubrimientos

Beguin 1615 Primera ecuación química

Lavoisier 1774 Ley de conservación de masa

Proust 1799 Ley de composición constante

Dalton 1803 Teoría atómica

Teoría atómica de Dalton

Cada elemento está compuesto de partículas llamadas átomos.

Atomos no son creados ni destruidos en las reacciones

químicas.

Todos los átomos de un elemento dado son idénticos.

Compuestos se forman al combinar átomos de varios elementos.

Consecuencias de teoría de Dalton

Al formar monóxido de carbono, 1,33 gramos of oxígeno se combinan con 1,0 gramo de carbono.

Al formar peróxido de hidrógeno, 2,66 gramos de oxígeno se combinan con 1,0 gramo de hidrógeno.

Ley de proporciones definidas: combinaciones de elementos están en razones de pequeños números.

Comportamiento de cargas

Historia y descubrimiento del electrón

La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1905 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Influído por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos. Aunque Stoney propuso su existencia, fue Thomson quien descubrió su carácter de partícula fundamental. Para confirmar la existencia era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Esto fue alcanzado por Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.

George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón al lograr difractar los electrones al atravesar una lámina de metal. Dicho experimento condujo a la aparición de un patrón de interferencia como el que se obtiene en la difracción de ondas como la luz, probando la dualidad onda corpúsculo la mecánica cuántica postulada en 1926 por De Broglie. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937.

Same device, one slit open vs. two slits open (Note the 16 fringes.)

El espín del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro. Seis años antes de los descubrimientos de Thomson, el físico irlandés Stoney había propuesto la existencia de estas partículas, pero no lo había podido comprobar. Como asumía que la partícula tenía carga eléctrica, la denominó electrón. Posteriormente, otros científicos demostraron experimentalmente que estas partículas o electrones, tienen una masa 2000 veces menor que el átomo de hidrógeno.

Tubo de rayos catódicos

Propiedades de rayos catódicos

Electron m/e = -5.6857 x 10-9 gramos coulomb-1

Carga del electrón

En 1906, Robert Millikan mostró que las gotas de aceite ionizado pueden ser balanceadas contra la caída gravitatoria en un campo eléctrico.

La carga es un múltiplo integral de la carga electrónica, e.

carga e- = -1.60 x 10-19 C

Thomson’s carga/masa de e- = -1.76 x 108 C/g

masa e- = 9.10 x 10-28 g

Precisión y exactitud en mediciones

Precisión se refiere a cuán cercanamente se sitúan las mediciones científicas individuales una con otra.

Exactitud se refiere a la cercanía del promedio de un conjunto de mediciones científicas con el valor “correcto” o “más probable”.

Errores muestrales ocurren cuando un grupo de mediciones científicas no representan a la población completa de la variable en estudio.

PRECISIÓN Y EXACTITUD

LA EXACTITUD INDICA CUÁN CERCA ESTÁ UNA MEDICIÓN DEL VALOR REAL DE UNA CANTIDAD

MEDIDA

ERROR

LA PRECISIÓN INDICA CUÁNTO CONCUERDAN DOS O MÁS MEDICIONES EXPERIMENTALES REALIZADAS EN CONDICIONES IDÉNTICAS.

INCERTEZADESVIACIÓN

PRECISIÓN

PRECISIÓN Y EXACTITUD

VALOR VERDADERO O ACEPTADO

BUENA PRECISIÓN Y EXACTITUD

BUENA PRECISIÓN, POCA EXACTITUD

POCA PRECISIÓN,BUENA EXACTITUD

POCA PRECISIÓN, POCA EXACTITUD

Exactitud – cuán cerca está el valor obtenido del valor real

Precisión – cuán reproducibles son los valores obtenidos

exactitud&

precisión

precisopero

no exacto

no exacto&

no preciso

1.8

Comparación de precisión y exactitud

Análisis de cifras significativas en cálculos

1.- Todos los dígitos son significativos, excepto los ceros a la izquierda del número.

2.- Son significativos los ceros terminales, finalizando a la izquierda del punto decimal. Después del punto decimal, agregar ceros a la derecha no significa.

3.- Multiplicación y División: En la respuesta se da tantas cifras significativas, como hay en la medición con el menor número de cifras significativas.

4.- Adición y sustracción: En la respuesta se da el mismo número de lugares decimales que hay en la medición con el menor número de lugares decimales.

Al realizar operaciones aritméticas combinadas, se realiza primero división o multiplicación y luego adición o sustracción, usando el criterio ya mencionado en cada caso.

CUALQUIER DÍGITO DIFERENTE DE CERO ES SIGNIFICATIVO.LOS CEROS UBICADOS ENTRE DÍGITOS DISTINTOS DE CERO SON

SIGNIFICATIVOS.LOS CEROS A LA IZQUIERDA DEL PRIMER DÍGITO DIFERENTE DE CERO

NO SON SIGNIFICATIVOS.SI UN NÚMERO ES MAYOR DE 1,TODOS LOS CEROS ESCRITOS A LA DERECHA DEL PUNTO DECIMAL CUENTAN COMO CIFRAS SIGNIF.

SI EL NÚMERO ES MENOR DE 1,SOLAMENTE LOS CEROS QUE ESTÁN AL FINAL DEL NÚMERO O ENTRE DÍGITOS DIFERENTES DE CERO SON

SIGNIF.PARA NÚMEROS SIN PUNTO DECIMAL, LOS CEROS QUE ESTÁN DESPUÉS DEL ÚLTIMO DÍGITO DIFERENTE DE CERO PUEDEN SER O NO SIGNIF.

CIFRAS SIGNIFICATIVAS

NÚMERO CIFRAS SIGNIFICAT.1,234 440501 50.08 12.0 240.042 5

NÚMERO CIFRAS SIGNIFICAT.0.0000349 30.090 20.3005 4400 1-2-34 X 102 14.0 X 102 24.00 X 102 3NOT. CIÉNTIFICA : N x 10n

N: 1-10 n: (+ ó - )

Ejercicios:

Exprese los siguientes números de acuerdo con la notación científica e indique el número de cifras significativas:

- 0,00000000001 1,000001000 21,000100 1004,016 522,216 0,0103

Ejercicios:

Indique el número de cifras significativas de las cantidades siguientes: 2,010 · 103

7,0 ± 0,1 103 0,16 0,0178 2 “palos” 2 “palos verdes” 2.040.000 2,040 millones

Ejercicios:

Realice las siguientes operaciones y exprese el resultado con el número apropiado de cifras significativas:

3,7 + 0,01 + 219 + 1,4857 18,96 – 1,8 4,1876 · 1,12 0,0018 · 2,1 424 · 0,016 5,45 / 12,12 [2,51(20,03 – 0,605)] / 60,5 [(41,27 – 0,414) · 0,0521 · 7,090] / (0,5135 + 0,0009)

Problemas:

Un profesor deja caer (libremente) un rodamiento desde el piso 34 de Torre Telefonica.Calcule qué aceleración, velocidad (en [km/hr]) y posición experimenta la partícula a los 0, 1, 2, 4, 6, 8 y 10 segundos.a = g (constante) = 9,8 [m/s2]v = g tz = (g t2)/2

Un ayudante de Ingeniería-USS compra un LCD de 37 pulgadas (en proporción aúrea 1,6180339887…) y su padre le regala un rack a la medida para colocarlo. El carpintero pregunta qué dimensiones mínimas (en centímetros) debe tener el estante para colocarlo.

Cifras significativas

Todos los dígitos en un número que son conocidos con certeza más el primer dígito incierto.

Mientras más dígitos significativos se obtengan, mejor es la precisión de una medición.

El concepto de cifras significativas sólo se aplica a mediciones.

Los valores exactos tienen un número ilimitado de cifras significativas.

Reglas para ceros en cifras significativas

Ceros entre dos dígitos significativos son significativos. Un solo cero precediendo un punto decimal no es significativo

(sólo se pone por cosmética) Ceros entre el punto decimal y el primer dígito no cero no son

significativos. Ceros al final de un número son significativos si ellos están a la

izquierda de un punto decimal. Ceros al final de un número podría o no ser significativo si el

número está escrito sin un punto decimal.

Reglas para cálculo con cifras significativas

Una cantidad calculada no puede ser más precisa que los datos usados en el cálculo y los resultados reportados deberían reflejar este hecho.

En multiplicación y división, los resultados informados no deberían tener más cifras significativas que el factor con las menores cifras significativas.

En adición y sustracción, el número de cifras significativas a la derecha del punto decimal se determina por el número con el menor de estos dígitos y los otros números redondeados equivalentemente.

Redondeo de números

Si el dígito a ser descartado es menor que 5, entonces el dígito final remanente queda inalterable.

Si el dígito a ser descartado es igual o mayor que 5, entonces el dígito final remanente se incrementa en uno.

Radioactividad

Radioactividad es la emisión espontánea de la radiación desde una sustancia.

Rayos X y rayos γ son luz de alta energía.

Partículas α son un flujo de núcleos de helio, He2+.

Partículas β son un flujo de electrones de alta

velocidad que se originan en el núcleo.

El núcleo atómico

Geiger y Rutherford1909

El experimento de la partícula α Mucha de la masa y toda la carga

positiva se concentra en una región pequeña llamada el núcleo.

Hay tantos electrones fuera del

núcleo como unidades de carga positiva en el núcleo.

Método científico

Hipótesis, modelos, teorías y leyes

Una teoría científica o ley representa una hipótesis o grupo de hipótesis relacionadas que se han confirmado a través de repetidas pruebas experimentales. Las teorías en ciencias naturales a menudo son formuladas en términos de pocos conceptos y ecuaciones que son identificadas con “leyes de la naturaleza”, sugiriendo su aplicabilidad universal.

Método científico – Rutherford

+ 98% de las partículas pasó 2% pasó pero con mucha deflactación -0.01% rebotó hacia la lámina emisora

Método científico – Rutherford

Método científico

Las teorías científicas aceptadas y las leyes han pasado a ser parte integral de nuestro entendimiento y las bases para explorar áreas del universo.

Una teoría no es descartable fácilmente y se tiende a asumir que los nuevos descubrimientos encajarán en el marco existente. Solamente cuando –después de repetidas pruebas experimentales independientes- el nuevo fenómeno no es inserto en la teoría, los científicos cuestionan su validez y tratan de modificarla.

La validez que se asocia a una teoría científica como realidad representante del mundo contrasta con la descalificación implícita en la frase: “es sólo una teoría”.

Los cambios en el pensamiento científico y las teorías ocurren, por supuesto, a veces revolucionando nuestra visión del mundo (Kuhn, 1962). De nuevo, la fuerza clave para el cambio es el método científico y su énfasis en la experimentación.

El núcleo atómico

Rutherfordprotones 1919

James Chadwickneutrones 1932

Nahum Joel haciendo teatro frente a un juguete nuevo

Participantes extranjeros del Curso Latinoamericano de Cristalografía admirándose con la cámara de

difracción de electrones

Mostrando las novedades a don Julio Garrido: Oscar Wittke, Hugo Villarroel, Julio Garrido, Isabel Garaycochea

Diámetro atómico 10-8 cm Diámetro nuclear 10-13 cm

Estructura nuclear

Partícula Masa Cargakg amu Coulombs (e)

Electron 9.109 x 10-31 0.000548 –1.602 x 10-19 –1Proton 1.673 x 10-27 1.00073 +1.602 x 10-19 +1Neutron 1.675 x 10-27 1.00087 0 0

1 Å

Escala de átomos

Unidades útiles 1 amu (atomic mass unit) = 1.66054 x 10-24 kg

1 pm (picómetro) = 1 x 10-12 m

1 Å (Angstrom) = 1 x 10-10 m = 100 pm = 1 x 10-8 cm

El átomo más pesado tiene una masa de sólo4.8 x 10-22 [gramos]

y un diámetro de sólo 5 x 10-10 [metros].

Mayor átomo pesa 240 amu y mide 50 Å a través.

Típica longitud de enlace C-C 154 pm (1.54 Å)

Isótopos, números atómicos y números másicos

Para representar un átomo particular:

A= número másico Z = número atómico

Midiendo masas atómicas

La tabla periódicaMetales alcalinos

Tierras alcalinas

Metales de transición

Halógenos

Gases nobles

Lantánidos and Actínidos

Grupo principal

Grupo principal

La tabla periódica

Leer masas atómicas Leer los iones formados por los principales grupos de

elementos Leer la configuración electrónica Aprender las tendencias en propiedades físicas y químicas

Litio natural está:

7.42% 6Li (6.015 uma)

92.58% 7Li (7.016 uma)

7.42 x 6.015 + 92.58 x 7.016100

= 6.941 uma

Masa atómica promedio de litio:

Average atomic mass (6.941)

Número atómico (Z) = número de protones en un nucleo

Número másico (A)= número de protones+ número de neutrones

= número atómico + número de neutrones

Isótopos son átomos de un mismo elemento (X) con diferente número de neutrones en el núcleo

XAZ

H11 H (D)2

1 H (T)31

U23592 U238

92

Número másico

Número atómicoSímbolo del elemento

Carbono

El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante.

Se conocen cinco formas alotrópicas del carbono, además del amorfo: grafito, diamante, fulerenos, nanotubos y carbinos.

En 2004 se anunció el descubrimiento de una sexta forma alotrópica: las nanoespumas.

La forma amorfa es esencialmente grafito, pero no llega a adoptar una estructura cristalina macroscópica.

Es pilar básico de la química orgánica: forma parte de todos los seres vivos conocidos. Se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando en 500 mil compuestos por año.

La tabla periódica

¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?

¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?

6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones

¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?

6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones

¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C116 ?

¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C146 ?

6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones

¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C116 ?

6 protones, 5 (11 - 6) neutrones, 6 electrones

Period

Group

Alkali M

etal

Noble G

as

Halogen

Alkali E

arth Metal

Un ion es un átomo, o grupo de átomos, que tienen carga positiva o carga negativa.

catión – ion con carga positivaun átomo neutral, puede transformarse en catión

si pierde uno o más electrones.

anión – ion con carga negativaun atomo neutro, se puede transformar en anión,

si gana uno o más electrones.

Na 11 protones11 electrones Na+ 11 protones

10 electrones

Cl 17 protones17 electrones Cl-

17 protones18 electrones

un ion monoatómico contiene solamente un átomo

Un ion poliatómico contiene mas de un átomo

Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3-

OH-, CN-, NH4+, NO3

-

13 protones, 10 (13 – 3) electrones

34 protones, 36 (34 + 2) electrones

Ejercicios

2.5

¿Cuántos protones y electrones existen en: Al2713 ?3+

¿Cuántos protones y electrones existen en: Se7834

2- ?