UNIDAD DOS
1. Estructura de la materia
2.1Generalidades
Definiciones
Materia
Es todo lo que tiene masa e inercia y ocupa un lugar en el espacio.
Energia
Capacidad para realizar un trabajo o transferir calor.
Trabajo
Desplazamiento de una masa a lo largo de una distancia
Masa
Es una medida de la cantidad de materia que permanece constante.
Peso
Es la acción de la fuerza de gravedad sobre la masa de un objeto en particular.
Propiedad
Es una característica o cualidad que permite describir a un cuerpo.
Propiedad general
Característica o cualidad común a todos los cuerpos y no permiten diferenciarlos individualmente.
Propiedad Específica
Característica o cualidad que permite identificar a un cuerpo.
Propiedad física
Característica o cualidad de una sustancia que identifican sin alterar su composición.
Propiedad Quimica
Característica que relacionan los cambios de composición de una sustancia o su reacción.
2.2 Materia y energía
2.2.1 Materia
Es todo lo que el mundo físico, ocupa un lugar en el espacio, tiene masa y es susceptible de medición.
2.2.1.1 División de la materia
· Cuerpo
Porción de materia de extensión limitada y produce impresiones en nuestro sentido por cualidades propias.
· Partícula
Parte de la materia que apenas se observa .
· Molécula
Mínima porción de materia que existe libre y conserva su propiedad, no es visible, pero se lo puede apreciar en las disoluciones.
· Átomo
Partícula más pequeña que conserva las propiedades de un elemento químico.
· Particula elemental o micro particula
Porción de materia menor que el atomo de hidrogeno.
2.2.1.2. Clasificación de las sustancias pro su composición química.
Cuadro 3
Cuadro 4
Características de las sustancias Simples
Metales | No metales | Gases Nobles |
· Solidos excepto el mercurio. · Tienen brillo metalico · Son buenos conductores de calor y electricidad · Los forman aniones y catones · Son ductiles y maleables · Electropositivos | · Solidos o gases excepto el bromo · Opacos · Malos conductores de calor y electricidad · Formado por moléculas biatómicas · No son dúctiles ni maleables. · Electronegativos | · Todos son gases · Son incoloros · Se ionizan y brillan ante descargas eléctricas, buenos conductores de calor. · Se integran por moléculas monoatómicas. · Estables no ganan ni pierden electrones. · No reaccionan con otros elementos. |
Cuadro 5
Cuadro 6
Diferencias entre mezclas y combinaciones
Mezcla | Combinación |
· Los compuestos intervienen en cualquier proporción. · Los componentes conservan sus propiedades especificas · Los componentes pueden separarse por medios físicos o mecánicos. · No tienen composición química o formula química. | · Componentes en proporciones fijas. · Los componentes pierden sus propiedades específicas. · Los componentes pueden separarse por medios químicos o físicos de alta energía. · Tienen composición constante expresada en la formula química. |
· Métodos de separación de mezclas
Trituración
La trituración es un proceso de reducción de materiales comprendido entre los tamaños de entrada de 1 metro a 1 centímetro (0,01m), diferenciándose entrituración primaria (de 1 m a 10 cm) y trituración secundaria (de 10 cm a 1 cm).
Las fuerzas utilizadas en la reducción de tamaño son: la compresión, el cizallamiento, la percusión o impacto y la atricción o abrasión.
Las fuerzas utilizadas en la reducción de tamaño son: la compresión, el cizallamiento, la percusión o impacto y la atricción o abrasión.
Disolución
Un ejemplo común podría ser un sólido disuelto en un líquido, como la sal o el azúcar disuelto en agua (o incluso el oro en mercurio, formando una amalgama).
Se distingue de una suspensión, que es una mezcla en la que el soluto no está totalmente disgregado en el disolvente, sino dispersado en pequeñas partículas. Así, diferentes gotas pueden tener diferente cantidad de una sustancia en suspensión. Mientras una disolución es siempre transparente, una suspensión presentará turbidez, será traslúcida u opaca. Una emulsión será intermedia entre disolución y suspensión.
Precipitación
Un precipitado es el sólido que se produce en una disolución por efecto de una reacción química o bioquímica. A este proceso se le llama precipitación. Dicha precipitación puede ocurrir cuando una sustancia insoluble se forma en la disolución debido a una reacción química o a que la disolución ha sido sobresaturada por algún compuesto, esto es, que no acepta más soluto y que al no poder ser disuelto, dicho soluto forma el precipitado.
Cristalización
La cristalización es el proceso por el cual se forma un sólido cristalino, ya sea a partir de un gas, un líquido o una disolución. La cristalización es un proceso en donde los iones, átomos o moléculas que constituyen la red cristalina crean enlaces hasta formar cristales, que se emplea en química con bastante frecuencia para purificar una sustancia sólida. La operación de cristalización es aquella por medio de la cual se separa un componente de una solución liquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan. Es una operación necesaria para todo producto químico que se presenta comercialmente en forma de polvos o cristales, ya sea el azúcar o sacarosa, la sal común o cloruro de sodio.
Tamización
El tamizado es un método físico para separar mezclas. Consiste en hacer pasar una mezcla de partículas sólidas de diferentes tamaños por un tamiz o colador. Las partículas de menor tamaño pasan por los poros del tamiz atravesándolo y las grandes quedan retenidas por el mismo.
Tamización: para aplicar este método es necesario que las fases se presenten al estado sólido. Se utilizan tamices de metal o plástico, que retienen las partículas de mayor tamaño y dejan pasar las de menor diámetro. Por ejemplo: trozos de mármol mezclados con arena; harina - corcho; sal fina - pedazos de roca; canto rodado, etc.
Centrifugación
Técnica de separación de partículas. Base: distinta velocidad de desplazamiento de las partículas en un medio líquido al ser sometidas a un campo centrífugo.
Filtración
El procedimiento de Filtración consiste en retener partículas sólidas por medio de una barrera, la cual puede consistir de mallas, fibras, material poroso o un relleno sólido.
Decantación
El procedimiento de Decantación consiste en separar componentes que contienen diferentes fases (por ejemplo, 2 líquidos que no se mezclan, sólido y líquido, etc.) siempre y cuando exista una diferencia significativa entre las densidades de las fases.
La Separación se efectúa vertiendo la fase superior (menos densa) o la inferior (más densa).
Evaporación
El procedimiento de Evaporación consiste en separar los componentes mas volátiles exponiendo una gran superficie de la mezcla. El aplicar calor y una corriente de aire seco acelera el proceso.
Sublimación
La Sublimación aprovecha la propiedad de algunos compuestos de cambiar del estado sólido al estado vapor sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo, el I2 y el CO2 (hielo seco) poseen esta propiedad a presión atmosférica.
Destilación
Este método consiste en separar los componentes de las mezclas basándose en las diferencias en los puntos de ebullición de dichos componentes. Cabe mencionar que un compuesto de punto de ebullición bajo se considera “volátil” en relación con los otros componentes de puntos de ebullición mayor. Los compuestos con una presión de vapor baja tendrán puntos de ebullición altos y los que tengan una presión de vapor alta tendrán puntos de ebullición bajos.
Destilación Simple, El proceso se lleva a cabo por medio se una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (mayor presión de vapor) y se condensa por medio de un refrigerante.
En la Destilación fraccionada el proceso se realiza en multi-etapas por medio de una columna de destilación en la cual, se llevan a cabo continuamente numerosas evaporaciones y condensaciones. Al ir avanzando a lo largo de la columna, la composición del vapor es más concentrada en el componente más volátil y la concentración del líquido que condensa es más rica en el componente menos volátil. Cabe mencionar que este tipo de destilación es mucho más eficiente que una destilación simple y que mientras más etapas involucre, mejor separación se obtiene de los componentes.
En la Destilación por Arrastre con Vapor
Se hace pasar una corriente de vapor a través de la mezcla de reacción y los componentes que son solubles en el vapor son separados. Entre las sustancias que se pueden separar por esta técnica se pueden citar los Aceites Esenciales.
Extracción
Cuando los solutos se distribuyen libremente entre dos solventes inmiscibles se establece una diferencia entre las relaciones de concentración en el equilibrio. La Distribución de un soluto entre dos solventes inmiscibles está gobernada por la “Ley de Distribución”. Supóngase que la especie del soluto A se deja distribuir entre una fase acuosa y otra orgánica.
Cromatografía
La palabra Cromatografía significa “Escribir en Colores” ya que cuando fue desarrollada los componentes separados eran colorantes. Los componentes de una mezcla pueden presentar una diferente tendencia a permanecer en cualquiera de las fases involucradas. Mientras más veces los componentes viajen de una fase a la otra (partición) se obtendrá una mejor separación.
Las técnicas cromatográficas se basan en la aplicación de la mezcla en un punto (Punto de Inyección o Aplicación) seguido de la influencia de la fase móvil.
Clasificación de la Cromatografía
Cromatografía en Columna:
En este caso se utilizan columnas de vidrio rellenas de Alúmina (Al2 O3), Sílica u Oxido de Magnesio.
Cromatografía en Capa Fina.
En este caso se utiliza una placa de vidrio recubierta con fase estacionaria (generalmente del tipo descrito en la Cromatografía en Columna con algunas variantes) manteniendo un pequeño espesor constante a lo largo de la placa. Esta se coloca en una cuba cromatográfica, la cual debe encontrarse saturada con el eluente (Fase Móvil líquida). El eluente ascenderá por la placa y arrastrará los componentes a lo largo de ésta produciendo “manchas” de los componentes. Si los componentes no son coloreados se requerirán técnicas de revelado (Adición de Ninhidrina a aminas, Acido sulfúrico para carbonizar compuestos orgánicos, etc) o visores ultravioleta.
Cromatografía en Papel
El proceso es básicamente el mismo, solo que se usan tiras de papel cromatográfico en la cuba cromatográfica.
Cromatografía de Gases (CG)
La Fase Móvil es un Gas (llamado Gas Portador o Acarreador) y la Fase Estacionaria puede ser un sólido (Cromatografía Gas-Sólido) o una Película de líquido de alto punto de ebullición (Generalmente Polietilén-Glicol o Silicón) recubriendo un sólido inerte (Cromatografía Gas-Líquido).
Los compuestos que se pueden separar por cromatografía de gases deben ser Volátiles y Térmicamente Estables.
Cuadro 7
Aplicaciones de las separaciones de mezclas
Método de separación | Propiedades físicas en que se basa | Procesos industriales en que se utiliza |
Centrifugación | Diferencia de densidades | Fabricación de azúcar. Separación de polímeros. Separación de sustancias sólidas de la leche. Separación de plasma de la sangre. El análisis químico y de laboratorio de sangre y orina. |
Cristalización | Solubilidad. Evaporación Solidificación | Producción de azúcar. Producción de sal Producción de antibióticos |
Cromatografía | Diferente adherencia (adsorción) de las sustancias | Separación de pigmentos. Separación de proteínas. Obtención de colorantes para cosméticos |
Destilación | Diferencia de los puntos de ebullición. Condensación | Obtención en varios licores. Obtención del alcohol etílico de 96°. Extracción de aceites. Obtención de productos derivados del petróleo. Obtención de aire líquido |
Decantación | Diferencia de densidades | Separación del petróleo del agua de mar. Tratamiento de aguas residuales. Separación de metales |
Diálisis | Difusión a través de membranas | Recuperación de sosa en la manufactura de rayón. Riñón artificial. Separación del suero de la leche. |
Evaporación | Cambio de estado | Concentración de jugos de frutas. Obtención de la sal del mar y de otras sales, como las de magnesio.Fabricación de leches concentradas. Deshidratación de frutas. |
Filtración | Tamaño de sólido en relación al del poro del filtro | Purificación o clarificación de la cerveza. Purificación del agua. Fabricación de filtros de aire, aceite y agua. |
Sublimación | Sublimación. Deposición | Purificación de ácido benzóico. Purificación de azufre. Separación de compuestos orgánicos. Fabricación de hielo seco. Liofilización. |
2.2.1.3. Propiedades físicas de la materia
Cuadro 8
Propiedades generales
Masa
Es la propiedad general que indica la cantidad de materia que posee un cuerpo.
Volumen
Es la propiedad general de la materia que proporciona en forma de magnitud el espacio que ocupan los cuerpos de forma regular o irregular.
Impermeabilidad
Es una propiedad común a muchos cuerpos que les da la capacidad de impedir el ingreso de otros.
Peso
Es una propiedad general de la materia que señala en valores numéricos la fuerza de atracción de la tierra hacia los cuerpos.
Inercia
Es una propiedad general que les permite a los cuerpos mantenerse en reposo o movimiento y que solo cambia del uno al otro por la intervención de una fuerza externa.
Divisibilidad
Propiedad general de los cuerpos para subdividirse en partículas más pequeñas.
Propiedades Específicas
Propiedades físicas
Color
Es la propiedad física de la materia que depende de las diferentes longitudes de onda luminosa que absorben y reflejan los cuerpos.
Olor
Propiedad física de la materia captada por el olfato, puede ser agradable, picante, o desagradable.
Sabor
Propiedad física captada por el sentido del gusto enlas papilas de la lengua, se reconocen 4 sabores principalmente salado, dulce, agrio, amargo.
Dureza
Propiedad física que le da la capacidad sólidos a los cuerpos resistencia a ser rayados, se mide en la escala de Mohs.
Punto de Fusión
Es una propiedad física en el cual un sólido se transforma a liquido, esto pueden ser a diferentes temperaturas dependiendo del tipo de materia.
Punto de ebullición
Propiedad física en la que a cierta temperatura hierve toda la masa de un líquido, depende de la presión atmosférica.
Ductilidad
Es una propiedad física que le da a los cuerpos la capacidad de ser susceptibles a estirarse.
Maleabilidad
Propiedad física de los metales que pueden extenderse formando laminas, permiten laminar o martillar para darles forma.
Sublimación
Es una propiedad física que consiste en el cambio de estado de la materia solida a gaseoso sin pasar por el estado líquido.
Conductividad eléctrica
Es una propiedad fisca que le da la capacidad a un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí.
Conductividad térmica
Es una propiedad física de los materiales en que se mide la capacidad de conducción de calor.
Solubilidad
Es una propiedad física de las sustancias para difundirse o disolverse con otro, se debe a la interacción molecular. A la sustancia en mayor cantidad se la llama solvente, la de menor cantidad soluto.
Forma cristalina
Se refiere a que muchas sustancias sólidos, tienen diferentes formas geométricas cristalinas.
Propiedades químicas
Combinación química
Es una sustancia compuesta formada por dos o más elementos cuyos átomos se unen entre sí mediante fuerzas de enlace y solo mediante procedimientos químicos que rompan tales uniones es posible separar los elementos componentes de la combinación. Cuadro 9
Cuadro 10
Clasificación de la energía
ORD | ENERGIA | CARACTERISTICAS |
01 | Cinemática | Ø Energía que un objeto posee debido a su movimiento. Ø Depende de la masa y la velocidad del objeto |
02 | Potencial | Ø Es la energía asociada a un objeto situado a determinada altura Ø Se la relaciona con la cinetica porque al dejar caer el objeto la energía se convierte en energía cinética |
03 | Geotérmica | Ø Energía también contenida en el interior de la tierra en forma de gases. Ø Cuando se extrae si presenta en forma de gases de alta temperatura (geiser) y agua hirviendo( fuentes termales) |
04 | Mareomotriz | Ø Energía obtenida en la fuerza de los movimientos de los mares y olas del mar. Ø El movimiento de mares es generado por la interacción gravitatorio entre la tierra y la luna. Este movimiento se utiliza para traspasar energía cinética a la los generadores de electricidad. |
05 | Térmica | Ø Es la energía transmitida entre dos cuerpos con distintas temperaturas. Ø Se forma con la aceleración del movimiento. |
06 | Nuclear | Ø Es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Ø Se puede obtener el proceso de fusión o de fisión nuclear. Las partículas liberadas en el proceso se convierten directamente en energía. |
07 | Mecánica | Ø Es la energía producida por el esfuerzo corporal. Ø Se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo. Ø Permanece constante si únicamente actúan fuerzas conservativas sobre las partículas. |
08 | Química | Ø Es producto de la combustión. Ø Durante la reacción se produce luz y calor, cuando las moléculas se rompen se libera luz y energía. |
09 | Solar | Ø Es la energía proveniente del sol. Ø Esta energía abarca un amplio espectro de radiación electromagnética, la luz es el espectro visible. Ø Generada por la fusión nuclear. Ø Esta energía la poseen todas las estrellas del universo. Ø Se puede transformar en energía térmica o eléctrica. |
10 | Eléctrica | Ø Se produce por el movimiento de cargas eléctricas, específicamente electrones. Ø Se transforma en otro tipo de energías. |
11 | Hidráulica | Ø Se aprovecha de la energía cinética y potencial de la corriente del agua. Ø Energía verde. Ø Usa la fuerza hídrica sin represarla. Ø Su uso más significativo es en las centrales hidroeléctricas sin embargo esta si es contaminante. |
12 | Eólica | Ø Producida por los vientos generados en la atmosfera terrestre. Ø Se puede transformar en energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas que posan su movimiento en el giro de aspas movidas por los vientos. |
2.5 El átomo
Etimológicamente átomo, significa sin división.
Conjunto de corpúsculos subatómicos asociados en números determinados que tienen masa y carga eléctrica especifica.
Cuadro 11
Modelos atómicos y modelo actual del átomo.
MODELO | ANO | CARACTERISTICAS |
Dalton | 1803 | Ø No es posible tener parte fraccionaria de átomo. Ø Todos los átomos de un elementos son idénticos. |
Thompson | 1904 | Ø La materia es neutra. Ø La forma es como una esfera en su interior existen partículas positivas. Ø En la superficie existen incrustadas partículas negativas. Ø Existe igualdad de partículas positivas y negativas. |
Rutherford | 1911 | Ø Existe un núcleo con carga positiva. Ø Los electrones giran alrededor del núcleo. |
Bohr | 1913 | Ø La teoría de la estructura atómica se basa en la mecánica cuántica. Ø Los electrones ocupan varios niveles de energía alrededor del núcleo, cada nivel posee uno o más subniveles. Ø Cada subnivel uno o más suborbitales. |
Sommerfeld | Ø Orbitas elípticas alrededor del núcleo. | |
Mecánica Cuántica | Ø El átomo no tiene forma definida, más bien varia contantemente (nube cósmica) |
Cuadro 12
2.5.1. Estructura del átomo
Representación simbólica del átomo
El símbolo general para el núcleo de cualquier elemento es el siguiente:
Numero másico
Representa la suma de la masa de los protones y neutrones del núcleo, ya que la masa de los electrones es despreciable. Se representa con la letra mayúscula A. A= Z+N
Numero atómico
Es el número de protones o carga nuclear que se representan por la letra mayúscula (Z). Z= A+N
Isotopos, isóbaros, isótonos.
Isotopos
Son átomos que tienen igual numero atómico y diferente numero másico.
Isobaros
Son átomos de igual masa atómica, pero de diferente numero atómico.
Isótonos
Son átomos que tienen igual número de neutrones.
2.5.2 Distribución electrónica. (Configuración electrónica)
Heisemberg basado en hechos experimentales formulo su principio de incertidumbre o indeterminación.
Este principio afirma que no se puede conocer simultáneamente la cantidad de movimiento y la posición de un electrón con la precisión necesaria para trazar su trayectoria en un determinado nivel de energía.
La región de mayor probabilidad para encontrar un electrón se denomina orbital.
Ø Números Cuánticos
El numero cuántico principal puede tener cualquier valor entero positivo, para los que elementos que se conocen hasta ahora los valores van desde n=1 hasta n=7. El número cuántico principal determina el tamaño y energía de los orbitales en una capa en donde se encuentra el electrón.
Cuadro 13
Máximo número de electrones por nivel de energía
CAPA | NIVEL | # MAXIMO DE ELECTRONES |
K L M N O P Q | 1 2 3 4 5 6 7 | 2*12 = 2 2*22=8 2*32=18 2*42=32 2*52=60 2*62=72 2*72=98 |
Numero cuántico secundario (l)
Este numero cuantico determina el subnivel dentro del nivel principal de energía. Indica la forma de la nube electrónica u orbital alrededor del nucleo. Estos subniveles se designan por las letras s, p, d, f puede tener los valores de 0, 1,2 ,3 n-1.
Cuadro 12
Número máximo de electrones por subnivel de energía.
SUBNIVEL | ORBITAL | # MAXIMO DE ELECTRONES |
s p d f | 1 3 5 7 | 1* 2= 2 3*2=6 5*2=10 7*2=14 |
Numero cuántico terciario o magnético (m)
Representa la orientación de los orbitales electrónicos en el espacio. El numero cuántico puede tener valores de -1 a +1, incluyendo 0.
Numero cuántico de Spin (s).
Describe la orientación de giro del electrón. Puede tener valores +1/2 o -1/2. Las dos orientaciones generalmente se designan por las flechas las cuales representan el giro del electrón, en dirección de las manecillas del reloj y en dirección contraria.Configuración electrónica de átomos.
Es la posible distribución de los electrones en los orbitales.
Se debe tener en cuenta ciertos principios y reglas que permiten asignar configuraciones electrónicas probables para los átomos de diverso elementos. Es recomendable seguir el esquema de Afbaw.
Principio de exclusión de Pauli
En un átomo cualquiera, no pueden existir dos electrones cuyos números cuánticos tengan los mismos valores, es decir, en un orbital solo pueden encontrarse dos electrones con espines contrarios.
Principio de Multiciplidad máximo de Hund.
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