Unidad 1 2016

Tec Superior en Biocombustibles ndash IES Nordm9 JA Unidad 1 ndash Quiacutemica I

Ing Qca Dulcinea Joaquiacuten Caacuterdenas

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Unidad 1

Sistemas Materiales Estructura atoacutemica Teoriacutea ioacutenica Leyes gravimeacutetricas

Meacutetodo atoacutemico actual Nuacutemeros cuaacutenticos Tabla Perioacutedica Caracteriacutesticas y

propiedades Estado de la materia meacutetodos de separacioacuten y fraccionamiento de

fases

Sistema material

Se llama sistema material a una porcioacuten limitada del universo que se separa real o imaginariamente para su estudio Ejemplos

Los sistemas materiales pueden clasificarse de diversas maneras atendiendo a distintos criterios En funcioacuten del pasaje de masa y energiacutea entre el sistema y el medio estos pueden clasificarse en abierto cerrado y aislado

Sistema Abierto hay transferencia de masa y energiacutea entre el sistema y el medio

o viceversa

En este sistema la masa de agua recibe calor -energiacutea teacutermica- procedente de su medio simultaacuteneamente parte de la masa de agua convertida en vapor pasa al medio

Sistema Cerrado solamente hay intercambio de energiacutea entre el sistema y el

medio o viceversa



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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 energiacutea 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

Antes de continuar con las clasificaciones de los sistemas vamos a definir las

propiedades intensivas y extensivas ya que de estas dependen las definiciones

posteriores

Propiedad intensiva es una propiedad de la materia que no depende de la

cantidad de materia que considere para medirla Por ejemplo la temperatura

Propiedad extensiva es aquella que depende de la cantidad de materia que

considereacute para medirla Por ejemplo el volumen es una propiedad intensiva ya

que dependiendo de la cantidad que tome para efectuar la medicioacuten tendreacute maacutes o

menos volumen (Volumen masa y longitud)



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Si se atiende a las propiedades en el interior de cada sistema se adopta otro

criterio clasificador seguacuten el cual hay dos posibilidades sistemas homogeacuteneos y

sistemas heterogeacuteneos

Definimos sistema homogeacuteneo a aquel que presenta las mismas propiedades

intensivas en todos sus puntos

Sistema Heterogeacuteneo aquel en el que variacutean las propiedades intensivas de un

punto a otro

Estructura Atoacutemica

La materia en su totalidad estaacute formada por aacutetomos de distintas clases

combinados de diversas maneras Los aacutetomos son las unidades maacutes pequentildeas de

una sustancia Las moleacuteculas estaacuten constituidas por aacutetomos enlazados mediante

fuerzas especiales

En el aacutetomo distinguimos dos partes el nuacutecleo y la corteza

El nuacutecleo es la parte central del aacutetomo y contiene partiacuteculas con carga positiva los

protones y partiacuteculas que no poseen carga eleacutectrica es decir son neutras los

neutrones La masa de un protoacuten es aproximadamente igual a la de un neutroacuten

Todos los aacutetomos de un elemento quiacutemico tienen en el nuacutecleo el mismo nuacutemero

de protones Este nuacutemero que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los

demaacutes es el nuacutemero atoacutemico y se representa con la letra Z

La corteza es la parte exterior del aacutetomo En ella se encuentran los electrones

con carga negativa Eacutestos ordenados en distintos niveles giran alrededor del

nuacutecleo La masa de un electroacuten es unas 2000 veces menor que la de un protoacuten

Los aacutetomos son eleacutectricamente neutros debido a que tienen igual nuacutemero de

protones que de electrones Asiacute el nuacutemero atoacutemico tambieacuten coincide con el

nuacutemero de electrones

La suma del nuacutemero de protones y el nuacutemero de neutrones de un aacutetomo recibe el nombre de nuacutemero maacutesico y se representa con la letra A Aunque todos los aacutetomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo nuacutemero atoacutemico pueden tener distinto nuacutemero de neutrones Llamamos isoacutetopos a las formas atoacutemicas de un mismo elemento que se diferencian en su nuacutemero maacutesico Para representar un isoacutetopo hay que indicar el nuacutemero maacutesico (A) propio del

isoacutetopo y el nuacutemero atoacutemico (Z) colocados como iacutendice y subiacutendice

respectivamente a la izquierda del siacutembolo del elemento



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Si bien hoy en diacutea todas las caracteriacutesticas anteriores de la constitucioacuten atoacutemica son bastante conocidas y aceptadas a traveacutes de la historia han surgido diversos modelos que han intentado dar respuesta sobre la estructura del aacutetomo

Teoriacutea Ioacutenica

Las estructuras cargadas positivamente o negativamente se denominan iones

- Con carga positiva cationes - Con carga negativa aniones

Cuando dos o maacutes aacutetomos se acerquen seraacuten los electrones los que interaccionan debido a que forman la corteza del aacutetomo de ese modo puede ocurrir que los electrones sean transferidos de un aacutetomo a otro (como discutiremos maacutes adelante)

Si un aacutetomo neutro capta uno o maacutes electrones eacutestos no podraacuten ser neutralizados por la carga del nuacutecleo por lo que la estructura adquiriraacute carga negativa transformaacutendose en un anioacuten

Si un aacutetomo neutro cede uno o maacutes electrones prevaleceraacute la carga nuclear y la estructura adquiriraacute carga positiva transformaacutendose en un catioacuten

Leyes gravimeacutetricas

Ley de conservacioacuten de la masa Lavoisier

ldquoen un sistema quiacutemicamente cerrado la masa se mantiene constante

cualesquiera sean las transformaciones fiacutesicas o quiacutemicas que el mismo

experimenterdquo

ldquola suma de las masas de las sustancias reaccionantes e igual a la suma de las

masas de las sustancias obtenidasrdquo

Ley de las proporciones constantes Proust



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ldquocuando dos sustancias simples se combinan para formar un compuesto

determinado lo hacen en una relacioacuten constante e invariable de masas

independiente del meacutetodo empleado en su formacioacuten y de cualquier otra accioacutenrdquo

A + B = AB

mAmB = Cte

Ley de las proporciones muacuteltiples Dalton

ldquocuando dos sustancias simples se combinan para formar mas de un compuesto

las masas de uno de ellos que se combinan con una masa fija del otro estaacuten

relacionadas entre si como nuacutemeros enteros y pequentildeosrdquo

Por ejemplo H y O se combinan para formar agua y agua oxigenada la relacioacuten

que se encuentra en ambas sustancias es

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8=2

1

Ley de las proporciones reciacuteprocas Richter

ldquolas proporciones en peso (muacuteltiplos y submuacuteltiplos) de varias sustancias simples

que se combinan con un peso fijo de otro tomado como base tambieacuten reaccionan

entre sirdquo

ldquosi A y B se combinan con C entonces A y B pueden combinarse con otras

sustancias solamente en las proporciones con que ellos se combinan con Crdquo

De esta importante ley nace la ley de los pesos de combinacioacuten o equivalente

quiacutemico que se veraacute mas adelante

Nuacutemeros cuaacutenticos y Modelo atoacutemico actual

El modelo atoacutemico actual fue desarrollado en la deacutecada de 1920 por Schroumldinger y Heisenberg En este modelo las orbitas de los electrones del modelo de Bohr-Sommerfeld son sustituidas por los orbitales regiones del espacio donde hay una gran probabilidad de encontrar a un electroacuten

En el primer subnivel (s) soacutelo hay un orbital en el segundo subnivel (p) hay tres orbitales en el tercer subnivel (d) hay cinco orbitales y en el cuarto subnivel (f) hay siete orbitales

En cada orbital puede haber como maacuteximo dos electrones Los orbitales atoacutemicos tienen distintas formas geomeacutetricas



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Aunque los conocimientos actuales sobre la estructura electroacutenica de los aacutetomos son bastante complejos las ideas baacutesicas son las siguientes

1 Existen 7 niveles de energiacutea o capas donde pueden situarse los electrones numerados del 1 el maacutes interno al 7 el maacutes externo

2 A su vez cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles

que pueden ser de cuatro tipos s p d f

3 En cada subnivel hay un nuacutemero determinado de orbitales que pueden contener como maacuteximo 2 electrones cada uno Asiacute hay 1 orbital tipo s 3 orbitales p 5 orbitales d y 7 del tipo f De esta forma el nuacutemero maacuteximo de electrones que admite cada subnivel es 2 en el s 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales) 10 en el d (2 x 5) 14 en el f (2 x 7)

La distribucioacuten de orbitales y nuacutemero de electrones posibles en los 4 primeros niveles se resume en la siguiente tabla

Niveles de energiacutea 1 2 3 4

Subniveles s s p s p d s p d f

Nuacutemero de orbitales de cada tipo 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7

Denominacioacuten de los orbitales 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f

Nuacutemero maacuteximo de electrones en los orbitales

2 2 - 6 2 - 6 - 10 2- 6- 10- 14

Nuacutemero maacuteximo de electrones por nivel

2 8 18 32

La configuracioacuten electroacutenica en la corteza de un aacutetomo es la distribucioacuten de sus

electrones en los distintos niveles y orbitales Los electrones se van situando en

los diferentes niveles y subniveles por orden de energiacutea creciente hasta

completarlos Es importante saber cuantos electrones existen en el nivel maacutes

externo de un aacutetomo pues son los que intervienen en los enlaces con otros aacutetomos

para formar compuestos

Nordm cuaacutentico principal (n) puede tomar valores enteros (1 2 3) y

coincide con el mismo nordm cuaacutentico introducido por Bohr Estaacute relacionado

con la distancia promedio del electroacuten al nuacutecleo en un determinado orbital y

por tanto con el tamantildeo de este e indica el nivel de energiacutea



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Nordm cuaacutentico secundario (ℓ) puede tener todos los valores desde 0 hasta n

ndash 1 Estaacute relacionado con la forma del orbital e indica el subnivel de

energiacutea

Nordm cuaacutentico magneacutetico (mℓ) puede tener todos los valores desde - ℓ hasta

+ ℓ pasando por cero Describe la orientacioacuten espacial del orbital e indica el

nuacutemero de orbitales presentes en un subnivel determinado

Nordm cuaacutentico de espiacuten (ms) que toma los valores de + frac12 o - frac12 Para

explicar determinadas caracteriacutesticas de los espectros de emisioacuten se

consideroacute que los electrones podiacutean girar en torno a un eje propio bien en

el sentido de las agujas del reloj bien en el sentido contrario

Tabla perioacutedica

La tabla perioacutedica de los elementos ordena a todos los elementos quiacutemicos en orden creciente de nuacutemero atoacutemico Las filas horizontales de elementos de la tabla perioacutedica se llaman periodos y las

columnas verticales de elementos reciben el nombre de grupos o familias

En la tabla perioacutedica los elementos quiacutemicos se encuentran divididos seguacuten las propiedades de cada conjunto de elementos Los metales estaacuten a la izquierda o debajo de la liacutenea diagonal escalonada de la tabla perioacutedica y los no metales aparecen a su derecha Los elementos situados al lado de esta liacutenea diagonal se conocen como metaloides y poseen ciertas propiedades que son intermedias entre las de los metales y no metales



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Algunos grupos de elementos reciben nombres especiales Los elementos del

grupo IA (Li Na K Rb Cs y Fr) se llaman metales alcalinos y los elementos del

grupo IIA (Be Mg Ca Sr Ba y Ra) se denominan metales alcalinoteacuterreos Los

elementos del grupo VII A (F Cl Br I y At) se conocen como haloacutegenos y los del

grupo VIII A (He Ne Ar Kr Xe y Rn) son los gases nobles (o gases raros)

Elementos diatoacutemicos En tanto que muchos elementos existen en la naturaleza como aacutetomos individuales siete de los elementos no metaacutelicos (hidroacutegeno nitroacutegeno oxiacutegeno fluacuteor cloro bromo y yodo) existen como pares de aacutetomos combinados quiacutemicamente en forma de moleacutecula diatoacutemica en las condiciones ambientales ordinarias El subiacutendice 2 de sus foacutermulas quiacutemicas respectivas H2 N2 O2 F2 Cl2 Br2 e I2 indica que cada moleacutecula tiene dos aacutetomos del mismo elemento Es muy importante conocer esta particularidad ya que cuando representemos

estos compuestos en ecuaciones quiacutemicas debemos colocarlos como moleacuteculas

diatoacutemicas para hacer una representacioacuten correcta de los mismos

Propiedades Perioacutedicas

a Caraacutecter Metaacutelico

Mide la tendencia de los elementos de ganar o perder electrones

Aumenta en el grupo de arriba hacia abajo y disminuye en el periacuteodo de izquierda

a derecha

El Francio (Grupo I Periacuteodo 7) es el elemento con mayor caraacutecter metaacutelico

b Electronegatividad

El Francio es el elemento con mayor caraacutecter metaacutelico y por lo tanto el menos

Electronegativo (o el maacutes electropositivo)

De aquiacute en adelante la electronegatividad

minus Aumenta en el grupo de abajo hacia arriba

minus Aumenta en el periacuteodo de izquierda a derecha

c Radio Atoacutemico

Radio atoacutemico es la distancia entre el centro del nuacutecleo de un aacutetomo y la oacuterbita maacutes externa del mismo Es un valor que se determina experimentalmente como la mitad de la distancia entre los nuacutecleos de dos aacutetomos que forman una unioacuten En la Tabla perioacutedica se observa que



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El radio atoacutemico aumenta de arriba hacia abajo dentro del Grupo Es decir que dentro del grupo aumenta al aumentar el Z y el radio atoacutemico de un catioacuten es menor que el del aacutetomo neutro

d Potencial de Ionizacioacuten o Energiacutea de Ionizacioacuten Potencial de ionizacioacuten es la cantidad de energiacutea que hay que darle a un aacutetomo (al estado gaseoso) para arrancarle 1 electroacuten En la Tabla perioacutedica se observa que El potencial de ionizacioacuten aumenta de izquierda a derecha dentro del periacuteodo y por lo tanto aumenta dentro del periacuteodo al aumentar el Z y disminuye de arriba hacia abajo dentro del grupo y por lo tanto disminuye al aumentar el Z

e Radio Ioacutenico

Es la distancia que existe entre el nuacutecleo de un ion y la oacuterbita maacutes externa del mismo En general los cationes tienen menor radio que el gas noble correspondiente para su estructura y a la inversa ocurre con los aniones

f Afinidad Electroacutenica Es una medida de la capacidad que tiene un aacutetomo en estado gaseoso de incorporar un electroacuten Variacutea en forma anaacuteloga al potencial de ionizacioacuten

Estado de la materia

iquestCoacutemo se producen estos diferentes estados de la materia Los aacutetomos que

tienen poca energiacutea interactuacutean mucho y tienden a ldquoencerrarserdquo y no interactuar

con otros aacutetomos Por consiguiente colectivamente estos aacutetomos forman una

sustancia dura lo que llamamos un soacutelido Los aacutetomos que poseen mucha energiacutea

se mueven libremente volando en un espacio y forman lo que llamamos gas

Resulta que hay varias formas conocidas de materia algunas de ellas estaacuten

detalladas a continuacioacuten



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Los soacutelidos se forman cuando las fuerzas de atraccioacuten entre moleacuteculas

individuales son mayores que la energiacutea que causa que se separen Las

moleacuteculas individuales se encierran en su posicioacuten y se quedan en su lugar sin

poder moverse Aunque los aacutetomos y moleacuteculas de los soacutelidos se mantienen en

movimiento el movimiento se limita a una energiacutea vibracional y las moleacuteculas

individuales se mantienen fijas en su lugar y vibran unas al lado de otras A

medida que la temperatura de un soacutelido aumenta la cantidad de vibracioacuten

aumenta pero el soacutelido mantiene su forma y volumen ya que las moleacuteculas estaacuten

encerradas en su lugar y no interactuacutean entre siacute

Los liacutequidos se forman cuando la energiacutea (usualmente en forma de calor) de un

sistema aumenta y la estructura riacutegida del estado soacutelido se rompe Aunque en los

liacutequidos las moleacuteculas pueden moverse y chocar entre siacute se mantienen

relativamente cerca como los soacutelidos Usualmente en los liacutequidos las fuerzas

intermoleculares (tales como los lazos de hidroacutegeno que se muestran en la

siguiente animacioacuten) unen las moleacuteculas que seguidamente se rompen A medida

que la temperatura de un liacutequido aumenta la cantidad de movimiento de las

moleacuteculas individuales tambieacuten aumenta Como resultado los liacutequidos pueden

ldquocircularrdquo para tomar la forma de su contenedor pero no pueden ser faacutecilmente

comprimidas porque las moleacuteculas ya estaacuten muy unidas Por consiguiente los

liacutequidos tienen una forma indefinida pero un volumen definido

Los gases se forman cuando la energiacutea de un sistema excede todas las fuerzas

de atraccioacuten entre moleacuteculas Asiacute las moleacuteculas de gas interactuacutean poco

ocasionalmente chocaacutendose En el estado gaseoso las moleacuteculas se mueven

raacutepidamente y son libres de circular en cualquier direccioacuten extendieacutendose en

largas distancias A medida que la temperatura aumenta la cantidad de

movimiento de las moleacuteculas individuales aumenta Los gases se expanden para

llenar sus contenedores y tienen una densidad baja Debido a que las moleacuteculas

individuales estaacuten ampliamente separadas y pueden circular libremente en el

estado gaseoso los gases pueden ser faacutecilmente comprimidos y pueden tener una

forma indefinida

Los soacutelidos liacutequidos y gases son los estados maacutes comunes de la materia que

existen en nuestro planeta

Transiciones de Fase

La transformacioacuten de un estado de la materia a otro se denomina transicioacuten de fase Las transiciones de fase maacutes comunes tienen hasta nombre Por ejemplo los teacuterminos derretir y congelar describen transiciones de fase entre un estado soacutelido y liacutequido y los teacuterminos evaporacioacuten y condensacioacuten describen transiciones entre el estado liacutequido y gaseoso Las transiciones de fase ocurren en momentos



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muy precisos cuando la energiacutea (medida en temperatura) de una sustancia de un estado excede la energiacutea permitida en ese estado

Por ejemplo el agua liacutequida puede existir a diferentes niveles de temperatura El agua friacutea para beber puede estar alrededor de 4ordmC El agua caliente para la ducha tiene maacutes energiacutea y por lo tanto puede estar alrededor de 40ordmC Sin embargo a 100ordmC en condiciones normales el agua empezaraacute una transicioacuten de fase y pasaraacute a un estado gaseoso Por consiguiente no importa cuaacuten alta es la llama de la cocina el agua hirviendo en una cacerola se mantendraacute a 100ordmC hasta que toda el agua haya experimentado la transicioacuten al estado gaseoso El exceso de energiacutea introducido por la alta llama aceleraraacute la transicioacuten de liacutequido al gas pero no cambiaraacute la temperatura La curva de calor siguiente ilustra los cambios correspondientes en energiacutea (mostrada en caloriacuteas) y la temperatura del agua a medida que experimenta la transicioacuten de fase del estado liacutequido al estado gaseoso

Como puede verse en el graacutefico superior el movimiento de izquierda a derecha muestra que la temperatura del agua liacutequida aumenta a medida que se introduce la energiacutea (calor) A 100ordmC el agua empieza a experimentar una transicioacuten de fase y la temperatura se mantiene constante aun cuando se antildeade energiacutea (la parte plana del graacutefico) La energiacutea que se introduce durante este periodo es la responsable de la separacioacuten de las fuerzas intermoleculares para que las moleacuteculas de agua individuales puedan ldquoescaparrdquo hacia el estado gaseoso Finalmente una vez que la transicioacuten ha terminado si se antildeade maacutes energiacutea al sistema aumentaraacute el calor del agua gaseosa o vapor

Este mismo proceso puede ser visto inversamente si simplemente miramos al graacutefico superior yendo de la derecha hacia la izquierda A medida que el vapor se enfriacutea el movimiento de las moleacuteculas del agua gaseosa y por consiguiente de la temperatura disminuiraacute Cuando el gas alcanza 100ordmC se perderaacute maacutes energiacutea del sistema a medida que las fuerzas de atraccioacuten entre las moleacuteculas se reformen Sin embargo la temperatura se mantiene constante durante la transicioacuten (la parte plana del graacutefico) Finalmente cuando la condensacioacuten se acaba la temperatura del liacutequido empezaraacute a disminuir a medida que la energiacutea se retira



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Las transiciones de fase son una parte importante del mundo que nos rodea Por ejemplo la energiacutea que se pierde cuando la respiracioacuten se evapora de la superficie de nuestra piel le permite a nuestro cuerpo regular correctamente su temperatura durante los diacuteas caacutelidos Las transiciones de fase tienen un importante rol en la geologiacutea influenciando la formacioacuten mineral y posiblemente hasta los terremotos

Ahora entendemos lo que ocurre en una cacerola con agua hirviendo La energiacutea (calor) introducida en el fondo de la cacerola causa una transicioacuten de fase localizada del estado de agua liacutequida al estado gaseoso Ya que los gases son menos densos que los liacutequidos esta transicioacuten de fase localizada forma bolsas (o burbujas) de gas que se elevan a la superficie de la cacerola y que se revientan Pero la naturaleza es generalmente maacutes maacutegica que nuestra imaginacioacuten A pesar de todo lo que sabemos sobre los estados de la materia y sobre las transiciones de fase todaviacutea no podemos predecir doacutende las burbujas individuales se formaraacuten en la cacerola de agua hirviendo

Un cambio de estado es el paso de un estado de agregacioacuten a otro en una sustancia como consecuencia de una modificacioacuten de la temperatura (o de presioacuten)

Existen varios cambios de estado que son

- Fusioacuten Es el paso de estado de una sustancia del soacutelido al liacutequido La temperatura a la que esto ocurre se llama Temperatura de fusioacuten o punto de fusioacuten de esa sustancia Mientras hay soacutelido convirtieacutendose en liacutequido la

temperatura no cambia se mantiene constante Por ejemplo en el agua el punto de fusioacuten es 0 ordmC mientras haya hielo transformaacutendose en agua la temperatura no variaraacute de 0 ordmC Esto ocurre porque toda la energiacutea se invierte en romper las uniones entre partiacuteculas y no en darles mayor velocidad en ese tramo



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- Solidificacioacuten Es el cambio de estado de liacutequido a soacutelido La temperatura a la

que ocurre es la misma el punto de fusioacuten

- Vaporizacioacuten Es el cambio de estado de liacutequido a gas Se puede producir de 2 formas evaporacioacuten y ebullicioacuten La evaporacioacuten se produce soacutelo en la superficie del liacutequido y a cualquier temperatura se escapan las partiacuteculas maacutes energeacuteticas del liacutequido Por el contrario la ebullicioacuten se produce en todo el liacutequido y a una temperatura caracteriacutestica llamada temperatura o punto de ebullicioacuten Por ejemplo en el agua es de 100 ordmC y se mantiene mientras hay agua pasando a vapor

- Condensacioacuten Es el cambio de estado de gas a liacutequido La temperatura a la que ocurre es el punto de ebullicioacuten

- Sublimacioacuten Es el cambio de estado de soacutelido a gas (sin pasar por el estado

liacutequido) Esto ocurre por ejemplo en sustancias como alcanfor naftalina yodo etc Un buen ejemplo praacutectico seriacutean los ambientadores soacutelidos o los antipolillas

- Sublimacioacuten inversa Es el cambio de estado de gas a soacutelido (sin pasar por el estado liacutequido)

Los cambios de estado se suelen representar en unas graacuteficas llamadas graacuteficas de calentamiento o graacuteficas de enfriamiento que son iguales para todas las sustancias ya que soacutelo variacutean en su punto de fusioacuten y en su punto de ebullicioacuten que son propiedades caracteriacutesticas de cada sustancia Los puntos de fusioacuten y de ebullicioacuten de las sustancias puras tienen valores constantes y cada sustancia pura tiene su propio punto de fusioacuten y de ebullicioacuten Por ejemplo el agua tiene como punto de fusioacuten 0 ordmC y como punto de ebullicioacuten 100 ordmC (a la presioacuten del nivel del mar) el alcohol etiacutelico tiene punto de fusioacuten -114 ordmC y punto de ebullicioacuten 78 ordmC En la siguiente tabla puedes ver algunos ejemplos

Sustancia P F (ordmC) P E (ordmC)

Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357

Oxiacutegeno - 219 - 183

Meacutetodos de separacioacuten y fraccionamiento de fases



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Los meacutetodos de separacioacuten de fases de mezclas son aquellos procesos

quiacutemicos por los cuales se pueden separar los componentes de una mezcla Por lo general el meacutetodo a utilizar se define de acuerdo al tipo de componentes de la mezcla y a sus propiedades particulares asiacute como las diferencias maacutes importantes entre las fases

La separacioacuten es la operacioacuten en la que una mezcla se somete a alguacuten tratamiento que la divide en al menos dos sustancias diferentes En el proceso de separacioacuten las sustancias conservan su identidad sin cambio alguno en sus propiedades quiacutemicas

Entre las propiedades fiacutesicas de las fases que se aprovechan para su separacioacuten se encuentra el punto de ebullicioacuten la solubilidad la densidad y otras maacutes

Por esto vamos a definir algunas de estas para comprender como es posible la separacioacuten de mezclas heterogeacuteneas

Solubilidad

ldquoLa solubilidad es la medida o magnitud que indica la cantidad maacutexima de soluto que puede disolverse en una cantidad determinada de solvente y a una temperatura dadardquo

Las unidades de expresioacuten para la solubilidad son variadas en general se expresa en gl (gramoslitros)

Ejemplo La solubilidad de la sal comuacuten (cloruro de sodio) es de 360 gl en agua a 20ordmC Este valor indica que en un litro de agua (1000 cc) a 20ordmC la cantidad maacutexima de cloruro de sodio que se puede disolver es 360 gramos

Pueden presentarse dos situaciones en particular para la solubilidad

cantidades (pequentildeas) pueden disolverse ambos sin ninguna dificultad pero en general la sustancia de mayor solubilidad desplaza de la solucioacuten a la de menor solubilidad ejemplo al agregar azuacutecar o sal a una bebida inmediatamente se produce el escape del gas disuelto en ella

soluto se disuelve en ambos solventes distribuyeacutendose proporcionalmente de acuerdo a sus solubilidades en ambos solventes

Densidad



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Nos indicara la cantidad de masa del cuerpo material contenido en un volumen definido de ella

Por lo tanto la masa y el volumen de una sustancia la podemos evaluar asiacute

gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ

Unidades Las unidades en la que puede estar la densidad son

Se debe tener en cuenta que

1 Los valores de densidad de las sustancias dependen de la presioacuten y temperatura a la cual se encuentre pero no dependen de la gravedad por lo tanto la densidad de un cuerpo en la tierra es igual que en la luna a la misma presioacuten y temperatura

2 Estando a la misma presioacuten y temperatura es posible diferenciar a dos

sustancias quiacutemicamente puras por sus valores de densidad debido a que es una propiedad intensiva y caracteriacutestica de cada sustancia

3 Para una sustancia quiacutemica generalmente se cumple ρ solido gt ρ liquido gt ρ gas

4 La densidad de sustancias soacutelidas y liquidas varia en cantidades muy pequentildeas con la temperatura por lo cual generalmente se considera constante en un rango de temperatura de 0degC a 30degC En caacutelculos muy precisos se debe considerar que la densidad disminuye al aumentar la temperatura esto se debe a la dilatacioacuten o aumento de volumen que experimentan las sustancias al ser calentadas

Peso especiacutefico

El peso especiacutefico (ϒ) es una propiedad intensiva que mide el peso de una sustancia por unidad de volumen

Donde



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ϒ = peso especiacutefico P = es el peso de la sustancia V = es el volumen que la sustancia ocupa ρ = es la densidad de la sustancia g= es la aceleracioacuten de la gravedad

Unidades

En el sistema internacional se expresa en N m3

Densidad Relativa

Es la relacioacuten entre la densidad de una sustancia y la densidad de otra tomada como referencia denominada sustancia patroacuten La gravedad especiacutefica es un nuacutemero adimensional es decir no posee unidades

Por convencioacuten la sustancia patroacuten para sustancias liquidas y solidas es el agua y para gases o vapores es el aire cuya densidad en condiciones normales es 129 g L

La gravedad especiacutefica se usa maacutes en la vida comercial que en la ciencia asiacute una serie de sustancias (arena vino alcohol etc) se caracterizan frecuentemente mediante esta magnitud

Meacutetodos de separacioacuten de fases

Los maacutes comunes son los siguientes

Decantacioacuten Filtracioacuten Extraccioacuten Lixiviacioacuten selectiva Imantacioacuten o separacioacuten por magnetismo Tamizacioacuten Flotacioacuten Destilacioacuten

Decantacioacuten es un proceso fiacutesico de separacioacuten de mezclas especial para separar mezclas heterogeacuteneas estas pueden ser exclusivamente liacutequido - liacutequido o soacutelido - liacutequido



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Esta teacutecnica se basa en la diferencia de densidades entre los dos componentes que hace que dejaacutendolos en reposo se separen quedando el maacutes denso arriba y el maacutes fluido abajo Filtracioacuten La filtracioacuten es una de las teacutecnicas de separacioacuten maacutes antiguas Es un meacutetodo fiacutesico-mecaacutenico para la separacioacuten de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase = componente homogeacuteneo en un determinado estado de agregacioacuten) Un medio filtrante poroso es atravesado por un liacutequido o gas (fase 1) y las partiacuteculas soacutelidas (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante

Extraccioacuten La extraccioacuten liacutequido-liacutequido es un meacutetodo muy uacutetil para separar

componentes de una mezcla El eacutexito de este meacutetodo depende de la diferencia de

solubilidad del compuesto a extraer en dos disolventes diferentes Cuando se agita

un compuesto con dos disolventes inmiscibles el compuesto se distribuye entre

los dos disolventes A una temperatura determinada la relacioacuten de

concentraciones del compuesto en cada disolvente es siempre constante y esta

constante es lo que se denomina coeficiente de distribucioacuten o de reparto (K =

concentracioacuten en disolvente 2 concentracioacuten en disolvente 1) Luego tengo el

elemento que queriacutea separar en uno de los disolventes que utiliceacute luego tendreacute

que separarlo de este uacuteltimo por alguacuten otro meacutetodo

Lixiviacioacuten es un proceso por el cual se extrae uno o varios solutos de un soacutelido

mediante la utilizacioacuten de un disolvente liacutequido Ambas fases entran en contacto

iacutentimo y el soluto o los solutos pueden difundirse desde el soacutelido a la fase liacutequida

lo que produce una separacioacuten de los componentes originales del soacutelido

Imantacioacuten o separacioacuten por magnetismo en este proceso de separacioacuten se hace

uso de la propiedad de algunos materiales de imantarse se pueden separar

soacutelidos mediante un imaacuten o una superficie imantada que atraeraacute hacia siacute misma

los metales imantados y los no imantados permaneceraacuten en la mezcla

Tamizacioacuten es el proceso por el cual se pueden separar solidos utilizando los

distintos tamantildeos de estos dentro de la mezcla se realiza por medio de un tamiz

(que es un colador) que retiene partiacuteculas de determinado tamantildeo De esta

manera quedan atrapadas en el tamiz determinadas partiacuteculas y otras pasan

Flotacioacuten La separacioacuten se consigue introduciendo finas burbujas de gas

normalmente aire en la fase liacutequida Las partiacuteculas se adhieren a las burbujas y la

fuerza ascensorial que experimenta el conjunto partiacutecula-burbuja de aire hace que

suban hasta la superficie del liacutequido De esta forma es posible hacer ascender a

la superficie partiacuteculas cuya densidad es mayor que la del liacutequido ademaacutes de

favorecer la ascensioacuten de las partiacuteculas cuya densidad es inferior como el caso



18

del aceite en el agua Una vez las partiacuteculas se hallan en superficie pueden

recogerse mediante un rascado superficial

Destilacioacuten es el proceso por el medio del cual se hace uso de los distintos puntos

de ebullicioacuten y se pueden separar sistemas liacutequidos ndash liacutequidos Soacutelidos - Liacutequidos

entre otros Para esto se coloca una mezcla a calentamiento los compuestos maacutes

volaacutetiles se evaporaran primero permitiendo separarlos de los menos volaacutetiles



2

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 energiacutea 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

Antes de continuar con las clasificaciones de los sistemas vamos a definir las

propiedades intensivas y extensivas ya que de estas dependen las definiciones

posteriores

Propiedad intensiva es una propiedad de la materia que no depende de la

cantidad de materia que considere para medirla Por ejemplo la temperatura

Propiedad extensiva es aquella que depende de la cantidad de materia que

considereacute para medirla Por ejemplo el volumen es una propiedad intensiva ya

que dependiendo de la cantidad que tome para efectuar la medicioacuten tendreacute maacutes o

menos volumen (Volumen masa y longitud)



3







punto a otro





fuerzas especiales



















4












experimenterdquo






5




A + B = AB

mAmB = Cte







16

8=2

1




entre sirdquo











6












2 2 - 6 2 - 6 - 10 2- 6- 10- 14


2 8 18 32













7



energiacutea














8













a derecha












9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







11







12









13










Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





14






Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



16


Unidades


Densidad Relativa










17
































18









3







punto a otro





fuerzas especiales



















4












experimenterdquo






5




A + B = AB

mAmB = Cte







16

8=2

1




entre sirdquo











6












2 2 - 6 2 - 6 - 10 2- 6- 10- 14


2 8 18 32













7



energiacutea














8













a derecha












9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







11







12









13










Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





14






Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



16


Unidades


Densidad Relativa










17
































18









4












experimenterdquo






5




A + B = AB

mAmB = Cte







16

8=2

1




entre sirdquo











6












2 2 - 6 2 - 6 - 10 2- 6- 10- 14


2 8 18 32













7



energiacutea














8













a derecha












9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







11







12









13










Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



16


Unidades


Densidad Relativa










17
































18









5




A + B = AB

mAmB = Cte







16

8=2

1




entre sirdquo











6












2 2 - 6 2 - 6 - 10 2- 6- 10- 14


2 8 18 32













7



energiacutea














8













a derecha












9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







11







12









13










Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










17
































18









6












2 2 - 6 2 - 6 - 10 2- 6- 10- 14


2 8 18 32













7



energiacutea














8













a derecha












9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







11







12









13










Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



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gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










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18









7



energiacutea














8













a derecha












9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







11







12









13










Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










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18









8













a derecha












9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







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Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










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9



e Radio Ioacutenico













10






























forma indefinida







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Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










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10






























forma indefinida







11







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Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










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Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










17
































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12









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Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










17
































18









13










Agua 0 100

Etanol - 114 78

Sodio 98 885

Hierro 1540 2900

Mercurio - 39 357





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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



16


Unidades


Densidad Relativa










17
































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Solubilidad







Densidad



15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



16


Unidades


Densidad Relativa










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18









15



gt masa m = ρ V

gt Volumen V = m ρ










Donde



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Unidades


Densidad Relativa










17
































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Unidades


Densidad Relativa










17
































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17
































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Unidad 1 2016

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