Escuela del Petróleo - Química U N I DA D 1 FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA

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1 Escuela del Petróleo - Química U N I DA D 1 1. La materia y sus cambios 2. Materia y Energía. 3. Propiedades de la Materia a. Estados de la Materia b. Cambios de estado FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA Con el objetivo de entender inteligentemente los sistemas de agua y sus problemas, debemos conocer la química básica aplicada al agua. Este capítulo sintetiza los conceptos fundamentales. MATERIA Y ENERGÍA LA MATERIA ES TODO AQUELLO QUE TIENE MASA Y OCUPA UN LUGAR EN EL ESPACIO. LA MASA ES LA MEDIDA DE CANTIDAD DE MATERIA CONTENIDA EN UNA MUESTRA DE CUALQUIER MATERIAL. Los estados de la materia dependen de Factores del ambiente como presión y temperatura.

2 Escuela del Petróleo - Química Los diferentes estados de la materia se caracterizan por la energía cinética de las moléculas y los espacios existentes entre estas. Cada uno de los estados le confiere a la materia características propias, a pesar de no cambiar su composición. LA ENERGÍA SE DEFINE COMO LA CAPAC IDAD DE REALIZAR TRABAJO O TRANSFERIR CALOR. S E CONOCEN DIVERSAS F ORMAS DE ENERGÍA (MECÁNICA, ELÉCTRICA, CINÉTICA, ETC.). El movimiento de los constituyentes de la materia, los cambios químicos y físicos y la formación de nuevas sustancias se originan gracias a cambios en la energía del sistema; conceptualmente, la energía es la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potencial o cinética. La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.

3 Escuela del Petróleo - Química Manifestaciones de la energía TIPOS DE ENERGÍA Energía Mecánica: El movimiento de las hélices del molino de viento es transferido a un sistema mecánico de piñones, para producir energía eléctrica o lograr la ascensión de agua de un pozo subterráneo Energía Calórica o radiante: El calor o la luz emitida desde el sol es aprovechada por las plantas para producir energía química en forma de carbohidratos. Energía Eléctrica: El movimiento de electrones libres, produce la energía eléctrica, usada para hacer funcionar electrodomésticos, trenes, y artefactos industriales. Energía Química: La combustión de hidrocarburos como el petróleo, liberan gran cantidad de energía. Formas de medición de la energía Poseer un referente de la cantidad de energía que se intercambia en las diferentes interacciones de la materia requiere de patrones de medición. Como la forma de energía que tiene mayor expresión es la energía calórica, entendida ésta como la energía que se intercambia entre dos sustancias cuando existe diferencias de temperatura entre ambas, trataremos las unidades de medida de esta. La cantidad de energía cedida o ganada por una sustancia se mide en calorías o joules. Una caloría (cal) es igual a la cantidad de calor necesario para elevar de 14,5o C a 15,5o C 1 gramo de agua. Como factor de conversión diremos que una caloría equivale a 4,184 joules. ESTADOS DE LA MATERIA Sólidos: sustancias rígidas y con formas definidas. El volumen de los sólidos no varía en forma considerable con los cambios de temperatura y presión. Líquidos: las partículas individuales están formadas por un volumen dado. Los líquidos fluyen y toman la forma del recipiente que los contiene, sin que su volumen varíe. Los líquidos son difíciles de comprimir. Gases: son menos densos que los líquidos y los sólidos, y ocupan todo el recipiente que los contiene, pueden expandirse hasta el infinito y se comprimen con facilidad. Las partículas individuales están bastante separadas. Estado de Agregación Forma definida Superficie límite Volumen definido Fluyen Son compresibles Gaseoso No No No Si Si Líquido No Si Si Si No Sólido Si Si Si No No

4 Escuela del Petróleo - Química MASA Y ENERGIA En 1789 Lavoisier escribía: «Debemos considerar como un axioma incontestable que en todas las operaciones del Arte y la Naturaleza, nada se crea; la misma cantidad de materia existe antes y después del experímento... y no ocurre otra cosa que cambios y modificaciones en la combinación de estos elementos.» El principio de la conservación de la masa en las reacciones químicas ha sido puesto en duda en diferentes ocasiones desde que fuera formulado por Lavoisier, sin embargo, hasta la llegada de la teoría de la relatividad de Albert Einstein en 1905 esa intuición vaga de algunos científicos no se vería materializada en un resultado positivo. De acuerdo con Albert Einstein «si un cuerpo cede la energía Δ E en forma de radiación,su masa disminuye en Δ E/ c ². La masa de un cuerpo es una medida de su contenido energético; si la energía cambia en Δ E,la masa del cuerpo cambia en el mismo sentido en Δ E/( ) ²». Su famosa ecuación: Δ E = m.c ² siendo c = m/s la velocidad de la luz, indica que en todo cambio de materia, y también en los procesos químicos, la absorción o la liberación de energía debe ir acompañada de un aumento o una disminución de la masa del sistema. Lo que sucede, sin embargo, es que debido a la enorme magnitud de la constante c ² las variaciones de energía que se producen en las reacciones químicas se corresponden con cambios de masa ínfimos que no pueden ser detectados ni por las balanzas analíticas más precisas. Se hace así buena la afirmación de Hans Landolt, uno de los químicos que pusieron a prueba la ley de Lavoisier, quien en 1909 afirmaba: «La prueba experimental de la ley de conservación de la masa puede considerarse completa. Si existe alguna desviación será menor de la milésima de gramo.» La ley de Lavoisier sigue, por tanto, siendo válida, al menos en términos prácticos, en el dominio de la química. En las reacciones nucleares, sin embargo, las energías liberadas son mayores y la ley de conservación de la masa se funde con la de conservación de la energía en un solo principio. La ley de Lavoisier generalizada con la importante aportación de Albert Einstein, puede escribirse en la forma: Σ(masa + energía/c ²) = constante que indica que, en un sistema cerrado, la suma de las masas incrementada en el término equivalente de energía se mantiene constante. La materia (sin cambiar su identidad) puede pasar de un estado a otro. Estos cambios reciben distintos nombres: CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA Los cambios de estado son cambios físicos ya que cambia el estado físico de la sustancia. Mientras dura el cambio de estado la temperatura permanece constante. Sólido Fusión Liquido Solidificación Sólido Volatilización Gas Sublimación

5 Escuela del Petróleo - Química Sólido Volatilización Vapor Sublimación Liquido Gasificación Licuación Gas Liquido Vaporización Vapor Condensación Fusión: pasaje de estado sólido a estado liquido. Por ejemplo el hielo (agua sólida). Solidificación: pasaje de estado líquido a estado sólido. Vaporización: pasaje de estado líquido a estado de vapor. Por ejemplo el agua líquida, cloroformo, éter. Condensación: pasaje de estado de vapor a estado liquido. Gasificación: pasaje de estado líquido a estado gaseoso. Por ejemplo el metano líquido. Licuación: pasaje de estado gaseoso a estado liquido. Volatilización: pasaje de estado sólido a estado vapor. Por ejemplo el dióxido de carbono sólido (CO 2) o hielo seco, la naftalina y el iodo. Sublimación: pasaje de estado vapor a estado sólido. Consideraciones La evaporación y la ebullición son dos formas de producir el cambio de líquido a gas o vapor. La evaporación ocurre en la superficie del líquido. La ebullición ocurre en toda la masa del líquido. Cada sustancia pura tiene su propia temperatura de fusión denominada punto de fusión, en éste punto la presión de vapor del sólido equilibra a la presión de vapor del líquido. Cada sustancia pura tiene su propia temperatura de ebullición denominada punto de ebullición, en éste punto la presión de vapor del líquido equilibra a la presión exterior. Bibliografía Whitten, Gailey, Davis. Quimica General Edición McGraw Hill. Tercera Edición. Mexico. Héctor Fernández Serventi. "Química general e inorgánica". Losada S. A., Buenos Aires. Robert C. Smoot y Jack Price. "Química, Un curso moderno". Compañía Editorial Continental S. A., México.

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