Ing. Ketty Pereira

Métodos de la ciencia

Método científico

Pasos para resolver problemas:Identificar y enunciar el problemaReunir datos concernientes al problema

observando y realizando experimentos Analizar los datos y proponer una o mas

soluciones posibles al problemaPoner en practica el plan o experimento

propuesto

EjemploSupongamos que necesitamos realizar varios

encargos en diversos lugares como una tienda de abarrotes, el banco, un negocio de alquiler de videos y la oficina de correos, antes de la 4 pm.

Resolución:

Importancia de la QuímicaLa química no sólo es importante porque constituye una

ciencia básica, sino que como tal es fundamental para el avance de otras ciencias tanto básicas como la Física y la Biología, y, aplicadas como las ciencias médicas o las de Ingeniería.

La aplicación de los conocimientos químicos a la biología ha traído una revolución en este campo. La química también ha influido en la psicología y lo será en mayor medida cuando se descifre la química del sistema nervioso. La búsqueda de mejor salud, mejores alimentos, vivienda y vestido tendrá un aliado en los estudios de la química. El reciclaje de materiales y desechos es aplicación principalmente de procesos químicos. Estas son sólo unas cuantas aplicaciones de las habilidades químicas, por las que se la considera a ésta como la Ciencia Central. Es difícil encontrar un área de la vida cotidiana en la que no tenga intervención la química.

FisiologíaFarmacologíaToxicología

BIOLOGIA

BotánicaAgronomíaEcología

Arqueología

INGENIERÍA

CosmologíaMeteorologíaMetalurgiaElectrónicaGeología

FISICA

NeurologíaGenéticaPsicología

MEDICINA

QUIMICA

Se denomina química (del árabe kēme (kem, كيمياء), que significa 'tierra') a la ciencia que estudia tanto la composición, estructura y propiedades de la materia como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía. Históricamente la química moderna es la evolución de la alquimia tras la Revolución química (1733).

Concepto de QUIMICA

Materia?Se define a la materia como aquello de lo que

están hechos todos los objetos materiales. Algunos también definen a la materia como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. La masa se define como la medida de la cantidad de materia que un objeto contiene. No se debe confundir la masa y el peso, pues éste mide una fuerza y es proporcional a la gravedad.

La MASA es una medida de la cantidad de materia. Incluso el aire tiene masa, pero quizá sólo te das cuenta de ello cuando caminas contra un viento fuerte.

El PESO es la acción de fuerza de la gravedad sobre la masa de un objeto en particular.

Ejemplo 1.1 La gravedad en Marte es tres veces menor

que en la Tierra. (a) ¿Cuál sería la masa en Marte de una

persona que tiene una masa de 120 kilogramos en la Tierra?

(b) ¿Cuál sería el peso en Marte de una persona que pesa 150 libras en la Tierra?

SoluciónLa masa será la misma, 120 kilogramos.El peso en Marte será de 50 libras, porque la

fuerza de atracción en Marte es tres veces menor que en la Tierra.

Humor químico¿Como calcular el volumen de una vaca?

- Ingeniero: Pues nada, llenas una bañera bien grande hasta arriba de agua; metes a la vaca, la sacas, y vuelves a llenar la bañera midiendo el agua necesaria.

- Matemático: Es mas fácil: integras la formula de la vaca desde el rabo al hocico, y ya esta.

- Físico: Nada, nada: el volumen es 4/3 de PI por R al cubo, si consideramos que se trata de una vaca esférica de radio R.

Propiedades de la materiaLas propiedades de la materia son aquellas cualidades

que la caracterizan; entre otras tenemos: el punto de ebullición, el brillo, la maleabilidad, el calor de combustión, etc. Las propiedades de la materia pueden ser de dos clases: propiedades físicas y propiedades químicas.

Las propiedades químicas describen los cambios que afectan a las características internas de la materia, y a su composición. Así tenemos que cuando el carbono reacciona con el oxígeno se forma un gas, el dióxido de carbono, con características diferentes de los elementos que reaccionaron.

Las propiedades físicas en cambio se refieren a aquellas propiedades que se pueden observar y especificar sin compararlas con alguna otra sustancia. Así, el punto de fusión y de ebullición de una sustancia son características de ella, son propiedades físicas.

Ejemplo 1.2De las afirmaciones siguientes, cuáles

representan propiedades físicas y cuáles químicas:

El barbero corta el cabello.Un mosquito hembra se alimenta de tu sangre

y la emplea para producir sus jebecillos.El agua hierve y se convierte en vapor.El agua se descompone en oxígeno e

hidrógeno gaseosos.

SoluciónPropiedad física: el cabello no cambia al

recortarlo.Propiedad química: la sangre se transformó.Propiedad química: se forman dos nuevas

sustancias.

Clases de materiaLa materia se puede clasificar en sustancias

puras y mezclas. Las sustancias puras pueden ser elementos y compuestos: los elementos son las sustancias formadas por una sola clase de átomos, mientras que los compuestos son grupo de átomos que tiene una composición fija. Así tenemos que el cobre, azufre y cobalto son elementos y el agua, el dióxido de carbono, glucosa y agua son compuestos.

Las mezclas pueden ser homogéneas y heterogéneas; a las mezclas homogéneas se las denominan soluciones. Una mezcla formada por agua y alcohol es una mezcla homogénea o solución, y una formada por azufre y agua es una mezcla.

Homogénea

Leyes del cambio químicoO también llamadas leyes

ponderales son un conjunto de leyes que tienen como objetivo el estudio del peso relativo de las sustancias, en una reacción química, entre dos o más elementos químicos. Por lo tanto se puede decir que se divide en tres importantes leyes como lo son:

Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier. 1789:Este resultado se debe al químico francés A.

L. Lavoisier, quien lo formulo en 1774. Considerando que “La ley de la conservación de la masa dice que en cualquier reacción química la masa se conserva, es decir, la masa y la materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma y permanece invariable.”

" Durante un cambio químico no existe cambio en la masa de los reactivos al convertirse en productos". "

- ¿El hierro al oxidarse gana masa? ¿La madera al quemarse pierde masa?

En un sistema cerrado (Sin intercambiar materiales con el exterior) la masa total de las sustancias existentes no varia aunque se produzca cualquier reacción química entre ellas.

En las reacciones nucleares (no en las reacciones químicas habituales) hay una relación entre masa y energía E=mc2 .La masa se puede transformar en energía y la energía se puede transformar en masa. 100 kcal = 4.65x10-12 Kg.

Ley de las proporciones definidas o ley de Proust. 1801.En 1808, tras ocho años de las

investigaciones, Proust llego a la conclusión de que para formar un determinado compuesto, dos o más elementos químicos se unen y siempre en la misma proporción ponderal.

Por ejemplo: Para formar agua H2O, el hidrógeno y él oxigeno

intervienen en las cantidades que por cada mol, se indican a continuación:

1 MOL AGUA PESA : (2)1,008 gH + 15,999 gO = 18,015 gPara simplificar los cálculos, se suele suponer que el peso atómico de H es 1 y él O es 16: 1 mol de agua = 2 + 16 = 18 g, de los que 2 son de H y 16 de oxigeno. Por tanto, la relación ponderal (o sea, entre pesos) es de 8g de oxigeno por cada uno de hidrógeno, la cual se conservara siempre que se deba formar H2O (en consecuencia, sí por ejemplo reaccionaran 3 g de H con 8 de O, sobrarían 2g de H).

Ley de Dalton de las proporciones múltiples. 1803Dalton elaboró la primera teoría atómica y

realizó numerosos trabajos de los cuales formuló en 1803: “Cuando dos o más elementos pueden formar más de un compuesto, las cantidades de uno de ellos que se combinan con una cantidad fija del otro, guardan entre sí relación de números enteros sencillos”.

Ejemplo: La combinación de una misma cantidad de Carbono (12 gramos) con distintas cantidades de Oxígeno.

C  + O2 --> CO212 g. de C      +  32 g. de O2  -->  44 g. CO2C  + ½ O --> CO12 g. de C      +  8 g. de O  -->  20 g. CO12 g de C + 16 g de O2 - 28 g de CO2Se observa que las cantidades de oxígeno mantienen la relación numérica sencilla (en este

caso "el doble")                                        32/16 = 2

COMBINACIONES Y CONJUNTOS DE ATOMOS 2.1 Teoría atómica de la

materia. (Dalton)En 1807 John Dalton publicó una teoría

atómica para explicar algunas observaciones experimentales.

La esencia de la teoría atómica de la materia de Dalton se resume en los siguientes postulados:

1. Cada elemento se compone de partículas extremadamente pequeñas e indivisibles llamadas átomos. No se crean ni se destruyen átomos durante las reacciones químicas.

2. Todos los átomos de un elemento dado son idénticos; los átomos de elementos diferentes son diferentes, inclusive en su masa y tienen propiedades diferentes.

3. Se forman compuestos cuando se combinan átomos de más de un elemento en proporciones fijas y pequeñas de números enteros, por ejemplo, un átomo de A con un 1 átomo de B, 2 átomos de A con 1 átomo de B, o 3 átomos de A con 2 átomos de B.

4.- Cuando dos elementos se combinan para formar mas de un compuesto, cada compuesto tiene una proporción de átomos diferente, pero definida, de números enteros. En el caso de sustancias químicas, si la masa de un elemento es fija, las diferentes masas del segundo elemento guardas entre sí proporciones de números enteros.

5.- Cuando se lleva a cabo una reacción química, los átomos de las sustancias iniciales reaccionan unos con otros para formas sustancias nuevas y diferentes, con combinaciones de átomos distintas, pero no se crean ni se destruyen átomos.

PESOS ATOMICOS Y OTRAS MASASObservemos la tabla periódica

Observamos:Cada elemento tiene masa atómica media a lo

que denominamos Peso atómico.El peso atómico es un valor decimalLa masa atómica de un elementos es un

promedio ponderado de las masas de todos los isótopos naturales de un elemento.

Si se conoce la abundancia natural de cada isótopo (en porcentaje), se puede calcular la masa atómica de un elemento.

Las masas atómicas de los elementos son el promedio de las masas isotópicasisotopo Masa (uma) Abundancia

(decimal)Contribución a la masa

Estroncio-84 83.9134 0.0050 0.42

Estroncio-86 85.9094 0.0990 8.51

Estroncio-87 86.9089 0.0700 6.08

Estroncio-88 87.9056 0.8260 72.61

Masa atómica

87.62 uma

Taller :

EL MOLComo contaríamos una mol?Cómo haríamos para contar el numero de

cristales de azúcar que hay un tazón?Podríamos contar el número de moléculas de

azúcar presentes en el tazón?

Consideremos:La masa de un solo cristal de azúcar y la masa

de todo el tazón de azúcarEntonces podremos calcular el numero de

cristales que hay en el tazón.Supongamos que cada cristal o partícula es

equivalente a una molécula de azúcar.Por consiguiente, la masa de la muestra nos

servirá para averiguar el numero de partículas que hay en la muestra si conocemos la masa de una partícula representativa.

La masa y el numero de partículas son proporcionales

El número de AvogadroEs el número de átomos N, presentes en

exactamente 12.0000 g del isótopo Carbono-12 como patrón.

N= 6.02X10 23

La cantidad de sustancia que contiene el número de Avogadro de partículas unitarias se llama MOL.

Una mol siempre contiene 6.02X10 23

partículas unitarias.

Una mol de átomos de Carbono contiene 6.02 X10 23 átomos de carbono

Una mol de moléculas de agua contiene 6.02X10 23 moléculas de agua

Una mol de cualquier sustancia contiene el número de Avogadro de partículas unitarias de esa sustancia

Es importante comprender las relaciones siguientes:Si la masa atómica de una sustancia es x

uma, entonces1 mol de la sustancia tiene una masa de x

gramos, y1 mol de la sustancia contiene 6.02 X10 23

partículas unitarias

Ejercicios:¿Cuál será el peso de 1 átomo de Fe?. ____1 mol de Fe_ x 55.85g Fe = 9.28 x 10-23 g Fe/átom Fe

6.02 x 1023 átom Fe 1 mol Fe

¿Cuántas moléculas de H2O existirán en 100.0 g de H2O?.

100.0 g de H2O x 1 mol de H2O x 6.02 x 1023 moléc. H2O =

18.0 g de H2O 1 mol de H2O 3.34 x 1024 moléculas de

H2

Formula química

Ejercicio:

Formulas químicasRespecto a cualquier compuesto la suma de

las masas atómicas en uma se denomina peso formular (P.F), o bien si la sustancia se compone de moléculas, esta suma también se designa como el peso molecular del compuesto.

Para conocer la masa de 1 mol de un compuesto simplemente sumamos las masas atómicas de todos los átomo representados en la formula y expresamos esta cantidad en gramos en vez de unidades de masa atómica.

Cuando una formula química tiene paréntesis, cada unidad dentro del paréntesis se multiplica por el subíndice que sigue inmediatamente al par de paréntesis.

EjercicioPg 106

Formulas estequiometriasEl termino estequiometria designa el calculo

de las sustancias que participan en las reacciones químicas.

Si se conoce la cantidad de una sustancia que participa en una reacción química, y si se tiene la ecuación química balanceada, se puede calcular las cantidades de los demás reactivos y productos.

Este calculo es muy útil en la producción de todas las sustancias químicas.

Estequiometria.Estequiometria se denomina a la parte de los

cálculos químicos que nos permite obtener información cuantitativa de las ecuaciones químicas balanceadas. En otras palabras son las relaciones de masas, moles y volúmenes que existen en la ecuación química balanceada.

Sea la ecuación:  2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)

2 moléculas 1 molécula 2 moléculas de H2 de O2 de

H2O

ésta nos da la siguiente información : 2 moles de 1 mol de -> 2 moles

de H2 O2 H2O

Porque se llevan a cabo las reacciones?La fuerza motriz de la mayor parte las

reacciones químicas es el hecho de que las sustancias con mucha energía tienden a reaccionar para formar productos mas estables y de menor energía, por lo cual se libera energía y la reacción es exotérmica. Si esto fuera cierto en todos los casos, todas las reacciones serian exotérmicas. Sin embargo no sucede debido a la naturaleza de las sustancias.

ECUACIONES QUIMICASUna ecuación química es una forma

abreviada de describir una reacción química, en la cual usamos símbolos y fórmulas para representar los elementos y compuestos que intervienen en la reacción.

Por ejemplo si queremos describir lo que acontece cuando la gasolina reacciona en el motor de un vehículo, entonces escribimos la siguiente ecuación:

2 C8H18(l) + 25 O2(g) 16CO2(g) + 18H2O(v)

El símbolo (+) significa que el Oxígeno se adiciona al octano para que se produzca la combustión (o viceversa). La flecha se debe leer como “produce”. Las sustancias que están a la izquierda se denominan reactivos o materias primas. Las de la derecha son los productos de la reacción. Se suele indicar el estado físico de los reactivos y los productos, escribiendo entre paréntesis la letra inicial después de la fórmula. Así la (g) significa gas, (l) líquido y (s) sólido; (ac) significa que la sustancia está en solución acuosa.

Se producen reacciones químicas cuando las sustancias sufren cambios fundamentales de identidad, se3 consuma una o más sustancias al mismo tiempo que se forman una o mas sustancias. La combustión de la gasolina y de la glucosas son ejemplos de este fenómenos.

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O

En las ecuaciones quimicas se suele emplear símbolos especiales para proporcionar información adicional especifica de las sustancias participantes o sobre las condiciones de la reacción.

Las sustancias que existen en estado gaseoso en el momento de la reacción se designan mediante una (g) colocada inmediatamente después de la formula. Los símbolos (s) y (l) sirven para identificar sólidos y líquidos respectivamente. Una sustancia disuelta en agua, que forma por lo tanto lo que se conoce como una solución acuosa, se identifica en la ecuación mediante el símbolo (ac)

En ciertos casos se agrega una sustancia para acelerar una reacción que de otra manera se llevaría a cabo con lentitud, o que incluso podría no ocurrir. Esta sustancia llamada catalizador, se muestra encima de la flecha, y no se consume durante la reacción.

Ej.: Las enzimas

Lo que nos dicen las ecuaciones quimicasInforma la identidad de reactivos y productosResume de forma lógica lo que esta

ocurriendo en la reacciónNo nos dice la rapidez con la que ocurren los

cambiosTampoco nos dice que cantidad de energía es

necesaria o se desprende para que ocurra la reacción.

Fórmulas empíricas y moleculares. La fórmula empírica de una sustancia indica el

número relativo de átomos que contiene. Esta relación está dada por números enteros sencillos. Así, la fórmula del agua, H2O nos indica que la relación de Hidrógeno y oxígeno es de 2 a 1, s decir por cada átomo de oxígeno hay dos átomos de hidrógeno. Para poder obtener la fórmula empírica de un compuesto es necesario tener los datos de masa de los componentes o de su composición centesimal.

Si tenemos los datos de la composición centesimal del compuesto, como por ejemplo la de un compuesto que forma el mercurio con el cloro (73.9% en masa de mercurio y 26.1% en masa de cloro ) para obtener la fórmula empírica procedemos de la siguiente manera:

Los % en masa los transformamos en masa tomando como base de cálculo 100.0 g del compuesto. Así tendríamos 73.9 g de mercurio y 26.1 g de cloro. Dividimos la masa para su peso atómico y obtenemos los moles de cada componente:

73.9 g de Hg x 1 mol de Hg = 0.368 mol de Hg

200.6 g de Hg  26.1 g de Cl x 1 mol de Cl = 0.735 mol de

Cl 35.5 g de Cl

Luego dividimos cada número de moles para el número menor y obtenemos una relación de números enteros sencillas que es la que nos da la fórmula empírica

Hg = 0.368 = 1 0.368

Cl = 0.735 = 2

0.368 

Por lo tanto la relación es de 2moles de Cl , por lo tanto la fórmula empírica será

1 mol de HgHgCl2

 

Ejercicio libro pag 56

La fórmula molecular se obtiene a partir de la fórmula empírica multiplicando sus subíndices por un número entero. En el ejemplo anterior, si obtenemos el peso fórmula del ácido ascórbico, que es de 176 uma, y conociendo el peso fórmula de la fórmula empírica, que es de 88 uma (12x3 + 1x4 + 16x3) esta relación nos da:

  176 = 2 88

Por lo tanto la fórmula molecular del ácido ascórbico será

  (C3H4O3) x 2 = C6H806

Ejemplo 6.3Un hidrocarburo tiene la fórmula empírica C3H4. El peso

molecular determinado experimentalmente es de 121 uma. Calcular su fórmula molecular.

  SoluciónCalculamos el peso fórmula del C3H4:

C = 12 uma x 3 = 36 uma

H = 1 uma x 4 = 4 uma

40 uma

Dividimos 121/40 = 3.02

 

La fórmula molecular será (C3H4) x 3 = C9H12

Resumen de capitulo 1