FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA Química 1º Bachillerato (Ciencias)

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1 FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA Química 1º Bachillerato (Ciencias)

2 FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA I. La Química. La Química es la ciencia que estudia la materia en relación a su composición, propiedades y transformaciones que experimenta. II. La materia. Materia es todo aquello que: Tiene masa. Ocupa un espacio. A. Propiedades de la materia: Generales: no aportan información acerca de la sustancia que la compone. Masa: cantidad de materia que contiene un cuerpo (S.I: kg). Volumen: espacio que ocupa un cuerpo (S.I: m 3 ). Específicas: aportan información acerca de la sustancia que la compone. Densidad: medida de la masa de una sustancia en relación al volumen que ocupa (S.I: kg/m 3 ). B. Estados de agregación de la materia: Volumen fijo? Forma fija? Comprensibles? Fluyen? Sólido Sí Sí No No Líquido Sí No Un poco Sí Gas No No Sí Sí III. Sustancias puras y mezclas. A. Mezclas: Formadas por dos o más sustancias no uniformes en su composición química y/o en su estado físico. Las clasificamos en: Mezclas homogéneas: no se distinguen los componentes que la forman (disoluciones). Mezclas heterogéneas: se pueden distinguir los componentes que la forman (mezclas). Toda clase de mezclas pueden separarse en sus componentes mediante procedimientos físicos, aprovechando las propiedades de cada sustancia. B. Sustancias puras: Es cada tipo de materia que se distingue por tener unas propiedades características. Se clasifican en: Compuestos: separables por procesos químicos. Elementos: no se pueden descomponer por ningún método. 1

3 IV. Cambios de estado de agregación. V. Métodos de separación de mezclas. Decantación y flotación: este método se emplea para separar un sólido en suspensión dentro de un líquido o una mezcla de líquidos inmiscibles; siempre aprovechando la diferente densidad de los componentes. Filtración: consiste en separar un sólido en suspensión de un líquido, empleando para ello un filtro que retiene los elementos sólidos. Vaporización: se basa en separar un sólido disuelto en un líquido, aprovechando para ello que el líquido es más volátil que el sólido. Destilación: es un proceso que consta en separar un líquido de una mezcla fructificando la discrepancia entre los puntos de ebullición. Existen dos tipos: Simple: calentamos la mezcla y vaporizamos el líquido; el cual, al enfriarse al ponerse en contacto con el refrigerante, se condensa en el matraz de destilado. 2

4 Fraccionada: cuando los puntos de ebullición de las sustancias son similares empleamos esta destilación. Se basa en la utilización de columnas de fraccionamiento donde el vapor se va enriqueciendo en el componente más volátil. Sublimación: este proceso sirve para separar un sólido de una mezcla de sólidos aprovechando que uno de ellos pasa directamente a estado gaseoso con relativa facilidad. Extracción con disolventes: aquí separamos un componente sólido o líquido de una mezcla aprovechando que es soluble en un disolvente en el cual el resto de los componentes no se pueden desleír. Cromatografía: esta técnica separa los componentes de una mezcla de gases, líquidos o sólidos disueltos aprovechando que cada componente tiene diferente capacidad de quedar adherido a un soporte material denominado absorbente. Dejamos que la mezcla sea arrastrada por un fluido a través de ese material de forma que cada componente es arrastrado con una velocidad distinta y quedan todos separados. VI. Métodos de separación de compuestos. Descomposición térmica: al aplicarle calor a un compuesto, éste se descompone en las sustancias más simples que lo componen. Electrólisis: este proceso consiste en la descomposición de una sustancia por medio de una corriente eléctrica. VII. Leyes ponderales de las reacciones químicas. Ley de conservación de la masa o de Lavoisier: enuncia que en toda reacción química, la masa de los productos es igual a la masa de los reactivos iniciales. Masa reactivos = Masa productos Ley de las proporciones definidas de Proust: cuando dos o más elementos se combinan para formar un mismo compuesto lo hacen siempre en una relación de masas constante; por lo que cualquier muestra de un compuesto puro tiene idéntica composición centesimal. H 2 + ½ O 2 = H 2 O Ley de las proporciones múltiples de Dalton: cuando dos elementos se combinan para formar más de un compuesto, las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del otro, guardan entre sí una relación de números enteros sencillos. C O 2 CO 2 12g 32g C ½ O 2 CO 12g 16g Guardan entre sí una relación cuyo valor es 2. 3

5 VIII. Teoría atómica de Dalton. La teoría enunciada por J. Dalton se basaba en los siguientes postulados: Los elementos químicos están formados por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí. Los átomos de elementos diferentes son desemejantes entre sí. Cuando los átomos se combinan para dar lugar a un mismo compuesto lo hacen según una relación numérica sencilla. Pero a esta teoría la podemos interpretar según las leyes ponderales: Como los átomos son indivisibles e indestructibles, los átomos presentes en los productos son los mismos que en los reactivos; pero, organizados de otra forma (Ley de Lavoisier). Cuando se unen elementos para formar un compuesto, como se unen en una proporción fija y los átomos de cada elemento tienen una masa determinada, la proporción definida de átomos se traduce en una proporción determinada de masa (Leyes de Proust y Dalton). IX. Ley de los Volúmenes de Combinación de Gay - Lussac. Se basa es el siguiente apotegma: «Los volúmenes de los reactivos y productos gaseosos de una reacción química, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, guardan entre ellos una relación de números enteros sencillos». 1 volumen de Hidrógeno (H) + 1 volumen de Cloro (Cl) = 2 volúmenes de cloruro de hidrógeno (HCl) X. Hipótesis de Avogadro. A. Avogadro fue un científico que cuestionó las suposiciones restrictivas que Dalton realizó con respecto a la composición de las moléculas. Propuso que en las reacciones gaseosas intervienen moléculas tanto si se trata de elementos como de compuestos; enunciando así su tesis: «A volúmenes iguales de gases distintos, medidos en iguales condiciones de presión y de temperatura, contienen el mismo número de partículas». XI. Átomos y elementos. A. Partículas subatómicas: Protones: carga positiva. Electrones: carga negativa. Neutrones: sin carga (neutros). 4

6 B. Modelo nuclear del átomo: El modelo actual de átomo según la IUPAC 1 se basa en los siguientes axiomas: Existe un pequeño núcleo en el cual se hallan los protones y los neutrones. En la corteza se disponen los electrones en movimiento orbitario. Sólo cuando el átomo es eléctricamente neutro, el número de protones y electrones es el mismo. C. Los isótopos: Los isótopos son átomos de un mismo elemento con distinto número másico. Z = Número atómico = número de protones del átomo = número de electrones del átomo si es eléctricamente neutro. A = Número másico = número de protones y neutrones del núcleo atómico. A = Z + n La mayor parte de los elementos están formados por varios isótopos, cada uno de ellos en una abundancia natural determinada que conocemos como abundancia isotópica natural. XII. Masa atómica y molecular. A. Masa atómica: La masa atómica se mide en el S.I en unidades de masa atómica (u) y su equivalencia es de kg. Para hallar la masa atómica de un elemento se calcula la media ponderada de las masas isotópicas de los distintos isótopos de ese elemento: A r = masa isotópica abundancia isótopo IUPAC: siglas de International Union of Pure and Applied Chemistry es el organismo internacional encargado del desarrollo y la normalización de los estándares de la Química. 5

7 B. Masa molecular: La masa molecular de un compuesto es la suma de las masas atómicas de los elementos que componen el compuesto según la proporción en la que se hallan en el mismo. M r = masa atómica número de átomos elemento C. El mol: Un mol es la cantidad de sustancia que contiene partículas. Esta cantidad determinada se conoce como Número de Avogadro y se representa como N A. XIII. Masa y volumen molar. A. Masa molar: Utilizamos la deporta cantidad de partículas debido a que la masa de un mol de átomos o moléculas de una sustancia es numéricamente igual a su masa atómica o molecular. M (Zn ) = átomos Zn 65 41u Zn 1 mol Zn 1 átomo Zn g Zn = g 1u Zn mol B. Volumen molar: El volumen molar de una sustancia es el volumen que ocupa un mol de dicha sustancia; lo cual no es muy útil para determinar los moles de sustancias líquidas y gaseosas, pues es más sencillo medir el volumen que la masa cuando tenemos una muestra en estado líquido o en estado gaseoso. Las medidas del volumen molar en sólidos y líquidos no dependen mayoritariamente de la presión o la temperatura; pero, en los gases, estos factores son dependientes, por lo que debemos especificar las condiciones de presión y temperatura a la hora de la medida de su densidad. V m = M d 6

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9 EJERCICIOS. FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA. 1. El plomo tiene una densidad de kg/m 3. Cuál es la masa de un bloque cúbico de plomo de 20cm de arista? 2. El análisis de cuatro muestras de óxidos de cromo dio los siguientes resultados: Muestra Masa de la muestra (g) Masa de cromo (g) A B C D Corresponden las cuatro muestras a una misma sustancia? 3. La composición centesimal en masa del carbonato de calcio es: 40% de calcio, 12% de carbono y 48% de oxígeno. A partir de esta información, completa la siguiente tabla: Masa de la Masa de calcio Masa de carbono Masa de oxígeno Muestra muestra (g) (g) (g) (g) A 24 5 B 4 8 C 1 7 D Completa la tabla con los isótopos del estroncio: Número de Número de Símbolo Z A protones neutrones Sr La masa atómica del plomo es Es posible afirmar que la masa de un átomo de plomo es u? 6. Calcula la masa molecular de las siguientes sustancias: Cl 2 O 5 Ca(OH) 2 Ca 3 (PO 4 ) 2 H 2 S H 2 SO 4 7. Cuántos moles de átomos de oxígeno hay en 0 5mol de nitrato de potasio (KNO 3 )? Y en 0 5g de nitrato de potasio? 8. El hierro oxidado tiene una composición en masa del 69 94% en hierro y, el resto, de oxígeno. Si la masa de un clavo de hierro totalmente oxidado es de 5 23g, calcula: a. Cuál era la masa del clavo antes de oxidarse totalmente? 8

10 b. Hay otro clavo igual, pero que sólo está parcialmente oxidado, y pesa 4 65g. Qué masa de hierro queda aún sin oxidar en dicho clavo? 9. Expresa la composición centesimal del hidróxido de aluminio, Al(OH) 3, en: a. Masa de cada elemento. b. Átomos de cada elemento. 10. El benceno (C 6 H 6 ) es un líquido con una densidad de 0 88g/cm 3. Calcula: a. Cuántas moléculas de benceno hay en 1g de este líquido? b. Cuántas moléculas hay en 1cm 3 de benceno? c. Cuál será la masa y el volumen de moléculas de benceno? Datos: Masas atómicas de los elementos enunciados: Sr = 87 62u Cl = 35 45u O = 16u Ca = 40 08u H = 1 008u P = 30 97u S = 32 06u K = 39 1u N = 14 01u Al = 26 98u C = 12 01u 9

11 EJERCICIOS. FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA (CORRECCIÓN) 1. El plomo tiene una densidad de kg/m 3. Cuál es la masa de un bloque cúbico de plomo de 20cm de arista? V = a 3 = 20cm 3 = 80cm 3 = m 3 m = d V = kg m m 3 = 91 2kg La masa de un bloque cúbico de plomo de 20cm de arista es de 91 2kg. 2. El análisis de cuatro muestras de óxidos de cromo dio los siguientes resultados: Muestra Masa de la muestra (g) Masa de cromo (g) A B C D Corresponden las cuatro muestras a una misma sustancia? - Para resolver este ejercicio debemos calcular la composición centesimal del cromo en cada muestra y, con esos porcentajes, determinar las que son de la misma sustancia. %A = %B = %C = %D = masa de cromo en A (g) 15 9g 100 = masa de la muestra A (g) 30 56g 100 = 52 03% masa de cromo en B (g) 26 94g 100 = 100 = 68 45% masa de la muestra B (g) 39 36g masa de cromo en C (g) 21 55g 100 = 100 = 68 45% masa de la muestra C (g) 31 49g masa de cromo en D (g) 17 97g 100 = masa de la muestra D (g) 34 53g 100 = 52 03% Las muestras A y D son de la misma sustancia, al igual que las muestras B y C. 3. La composición centesimal en masa del carbonato de calcio es: 40% de calcio, 12% de carbono y 48% de oxígeno. A partir de esta información, completa la siguiente tabla: Muestra Masa de la Masa de calcio Masa de carbono Masa de oxígeno muestra (g) (g) (g) (g) A B C D Para solucionar esta actividad vamos operando con los datos que tenemos en la tabla y los porcentajes que nos presentan en el enunciado. 4. Completa la tabla con los isótopos del estroncio: Símbolo Z A Número de Número de protones neutrones Sr Sr Sr Sr Calculamos los datos de esta actividad siguiendo la relación entre electrones, protones y neutrones en un átomo eléctricamente neutro (A = Z + n). 10

12 5. La masa atómica del plomo es Es posible afirmar que la masa de un átomo de plomo es u? Es imposible que el número másico de un átomo sea decimal; este dato corresponde con la masa isotópica media. 6. Calcula la masa molecular de las siguientes sustancias: Cl 2 O 5 = 2 (35 45u) + 5 (16u) = 150 9u Ca(OH) 2 = 40u + 2 (16u + 1u) = 74u Ca 3 (PO 4 ) 2 = 3 (40u) + 2 [31u + (4 16u)] = 310u H 2 S = 2u + 32u = 34u H 2 SO 4 = 2u + 32u + 4 (16u) = 98u 7. Cuántos moles de átomos de oxígeno hay en 0 5mol de nitrato de potasio (KNO 3 )? Y en 0 5g de nitrato de potasio? 3 mol O a. 0 5 mol KNO 3 = 1 5 mol O 1 mol KNO 3 b. M KNO3 = 39 1u + 14u u = 101u = 101 g mol 0 5g KNO 3 1 mol KNO g mol 1 mol O = mol O 1 mol KNO 3 Hay 1 5 mol de oxígeno en 0 5mol de KNO 3. Hay mol de oxígeno en 0 5g de KNO El hierro oxidado tiene una composición en masa del 69 94% en hierro y, el resto, de oxígeno. Si la masa de un clavo de hierro totalmente oxidado es de 5 23g, calcula: a. Cuál era la masa del clavo antes de oxidarse totalmente? La masa del clavo antes de 5 23g FeO óxido de hierro = 3 67g Fe (clavo ) oxidarse era de 3 67g. b. Hay otro clavo igual, pero que sólo está parcialmente oxidado, y pesa 4 65g. Qué masa de hierro queda aún sin oxidar en dicho clavo? El clavo tiene una masa de 3 67g; por lo que si pesa 4 65g: 0 98g serán oxígeno. 4 65g FeO 3 67Fe = 0 98g O 100g Fe oxidado g O = 3 28g FeO 06g O Si tenemos un clavo de 4 25g de masa y sabemos que 3 28g están oxidados; 1 37g de esa masa inicial será clavo sin oxidar. 4 25g clavo 3 28g FeO = 1 37g Fe 1 37g de hierro están sin oxidar en el clavo. 9. Expresa la composición centesimal del hidróxido de aluminio, Al(OH) 3, en: - Primeramente nos disponemos a calcular la masa molecular del hidróxido de aluminio: 28 98u u + 1u = 77 98u = g mol a. Masa de cada elemento. %Al = 28 98g 100 = 77 98g 34 6% %O = 48g 100 = 61 6% 77 98g %H = 3g 100 = 3 8% 77 98g %Al = 34 6% %O = 61 6% %H = 3 8% 11

13 b. Átomos de cada elemento. Al(OH) 3 = 1 átomo de Al + 3 átomos de O + 3 átomos de H = 7 átomos %Al = 1 átomo 7 átomos 100 = 14 28% %O = 3 átomos 100 = 42 85% 7 átomos %H = 3 átomos 100 = 42 85% 7 átomos %Al = 14 28% %O = 42 85% Porcentaje en átomos %H = 42 85% 10. El benceno (C 6 H 6 ) es un líquido con una densidad de 0 88g/cm 3. Calcula: - Primeramente calculamos la masa molecular del benceno: M = 6u u = 78 06u = g mol a. Cuántas moléculas de benceno hay en 1g de este líquido? 1 mol C 6 H 6 1g C 78 06g C 6 H 6 H 6 = 1 mol C H mol C 6H moléculas C 6 H 6 1 mol C 6 H 6 = moléculas de benceno b. Cuántas moléculas hay en 1cm 3 de benceno? d = m V ; m = d V = 1cm g cm 3 = 0 88g 1 mol C 6 H g C 06g C 6 H 6 H 6 = mol C Hay moléculas de benceno. 6H mol C 6H moléculas C 6 H 6 = moléculas de benceno 1 mol C 6 H 6 c. Cuál será la masa y el volumen de moléculas de benceno? 1 mol C 6 H moléculas C 6 H 6 = 0 83 mol C mol éculas C 6 H 6 H mol C 6 H g C 6 H 6 1 mol C 6 H 6 = 64 79g de benceno d = m V ; V = m d = 64 79g C 6 H g cm 3 = 73 62cm 3 de benceno Hay moléculas de benceno. La masa es de 64 79g y el volumen de 73 62cm 3. Datos: Masas atómicas de los elementos enunciados: Sr = 87 62u Cl = 35 45u O = 16u Ca = 40 08u H = 1 008u P = 30 97u S = 32 06u K = 39 1u N = 14 01u Al = 26 98u C = 12 01u 12

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