• Author / Uploaded
• Moises Blass

• Categories
• Isótopo
• Núcleo atómico
• Protón
• Átomos
• Mezcla

Citation preview

CICLO PREUNIVERSITARIO 2019 - 2

QUÍMICA Y MATERIA – ESTRUCTURA ATÓMICA Profesor: Quím. Jorge C. Rojas Ramos

Logro Al término de la sesión, el alumno estará en la capacidad de lo siguiente:  Describir la materia y su clasificación.  Identificar los estados de agregación de la materia.  Diferenciar los fenómenos físicos y químicos.  Reconocer las partes del átomo, sus componentes y su influencia en las propiedades de la materia.  Identificar los tipos de núclidos y sus características.

 Deducir la formación de los iones a partir de la transferencia de electrones entre átomos.

Índice de contenidos 1) Química – campos de acción

2) Materia - energía 3) Métodos físicos y químicos de separación 4) Propiedades físicas y químicas de la materia 5) Estados de agregación – cambios de estado

6) Fenómenos o cambios de la materia 7) El átomo – tipos de núclido

QUÍMICA

es

¿Qué estudia la Química?

Composición

Propiedades: físicas y químicas

una ciencia natural , basada en el estudio de la materia a través de la observación y experimentación.

Fenómenos: físicos y químicas

En resumen, la Química es la ciencia que estudia las propiedades y los cambios que experimentan la materia como consecuencia de su interacción con la energía. Los conocimientos en Química se sustentan en el Método Científico - Experimental

Energía involucrada en el proceso

QUÍMICA

utiliza método científico

se dividen

Química General

• • • • •

Observación Hipótesis Experimentación Teoría Ley

Química Descriptiva

Química Analítica

Química Aplicada

comprende

comprende

comprende

Química Orgánica

Química Inorgánica

Bioquímica Química Química Fisicoquímica Analítica Analítica Química industrial Cualitativa Cuantitativa Petroquímica Geoquímica Electroquímica Cinética Química Farmacoquímica Astroquímica Química Forense Nanotecnología, Biotecnología

1. MÉTODO CIENTÍFICO Es un método de investigación usado principalmente en la producción de conocimiento en las ciencias Observación

Explica la posible Explicaobservación la posible

observación Lo que se realiza para comprobar la posible explicación

Observación de los fenómenos naturales con recolección de muestras. Puede registrarse para buscar una posible respuesta

Hipótesis

Experimentación

Nueva Hipótesis Ley

Teoría Explica los sucesos y proporciona las bases para explicar algunas leyes

Es un enunciado exacto del comportamiento de la naturaleza sin excepciones, la que ha sido derivada de una experimentación extensa y que muchas veces se expresa en términos precisos usando las matemáticas

2. CAMPOS DE ACCIÓN DE LA QUÍMICA La química es una ciencia experimental que tiene múltiples aplicaciones, ejemplos: En medicina: esta relacionado con la síntesis de diferentes fármacos (antibióticos, analgésicos, antidepresivos, vacunas, vitaminas, hormonas, etc) para el diagnostico y tratamiento de enfermedades.

En nutrición: permite sintetizas sustancias llamadas saborizantes y colorantes para mejorar ciertas propiedades de los alimentos; los preservantes para que los alimentos no se deterioren en corto tiempo; también la química determina las sustancias vitales que requiere el organismo (minerales, vitaminas, proteínas, grasas, etc.)

En agricultura: gracias a los productos químicos como abonos y fertilizantes, se aumenta la productividad del suelo y se logra satisfacer las necesidades de alimentación; además con el uso de insecticidas, plaguicidas, fungicidas y pesticidas, se controlan muchas enfermedades y plagas que afectan las plantas.

En textileria y cuidados de ropa: la ayuda potencialmente a satisfacer esta necesidad, sintetizando muchas fibras textiles (rayón, orlón, drakón, nylon, etc). Colorantes para el teñido, sustancias para el lavado (jabones, detergentes, lejías, etc.), preservantes de fibras naturales y sintéticas, etc.

Además la química sirve de ayuda a las Arqueología (para determinar la antigüedad de restos fósiles y de ese modo fechar los restos hallados), Mineralogía (en técnicas de extracción y purificación de metales), Astronomía (combustibles químicos para los cohetes, ropa y alimentos concentrados para astronautas, etc.)

En medio ambiente: ayuda en el tratamiento y control de las sustancias contaminantes que afectan severamente a nuestro ecosistema natural (agua, aire y suelo), y en la asistencia en desastres ecológicos tales como derrames de petróleo (mareas negras), caída de lluvias ácida, derrames de relaves mineros, incendios forestales y domésticos, etc.

Otras industrias: en la obtención de papel, cartón, resinas, ácidos (HCl, H2SO4, HNO3, etc), fabricación de aleaciones y materiales resistentes o ligeros para construir naves espaciales, buques, vehículos terrestre, edificaciones, artefactos eléctricos, robótica, electroquímica, ingeniería química, la ecología, la farmacología, biología, piscicultura, geología, etc.

Encuentra en constante movimiento y transformación

se

MATERIA

es todo

es posee

Toda realidad objetiva, su existencia es independiente de nuestros sentidos

mediante Fenómenos físicos y químicos

Lo que existe en el universo desde los más simple a lo complejo

Masa y volumen (o extensión)

En resumen la materia es todo aquello que existe en el universo, ocupa un lugar en el espacio, tiene como cualidad el movimiento y esta sujeta a transformación. De las muchas formas de presentación de la materia, en química estudiaremos aquellas que poseen masa y volumen.

A nivel macroscópico o microscópico Tiene carácter corpuscular, (la materia es discontinua debido a su carácter corpuscular)

La materia es de naturaleza discreta o discontinua, es decir no se puede dividir indefinidamente

La ciencia moderna ha demostrado de manera experimental que la materia se puede degradar hasta un limite.

cuerpo

Procedimiento mecánico (molienda)

partículas

Métodos físicos

moléculas Métodos químicos Átomos o iones Métodos nucleares

Partículas subatómicas Métodos nucleares Supercuerdas (hipotético)

Métodos nucleares

quarks

UNIVERSO MATERIA

𝐸 = 𝑚. 𝑐 2

ENERGÍA

Clasificación Mezcla

Métodos físicos

Formado por dos o más sustancias, de composición variable, no tienen fórmula y sus componentes conservan sus propiedades

Mezcla homogénea (Solución) Aire, Agua potable, de rio o mar, Aleaciones (latón, bronce, acero), Vinagre, , Vino, Pisco, Gaseosa, Agua Azucarada, Agua regia, Agua dura, Salmuera, Formol, Agua oxigenada, Gasolina, GN, Lejía, Kerosene, Alcohol yodado, etc

Mezcla heterogénea

Sustancia pura

Composición química definida, constante e invariable por ello se les representa por símbolos o fórmulas químicas, cuyas propiedades son independientes de su origen.

Compuesta

Arena de mar, Adobe, NaCl, HCl, H2SO4, Arena, Roca granito, Hielo Seco (CO2), Agua turbia, H2O+ arena, Etanol (C2H5OH), H2O + aceite, Hormigón, Sacarosa (C12H22O11), Ensalada de frutas o Agua deuterada verduras, Chicha de jora, Leche de magnesia, (D2O), etc Mylanta, Humo, Niebla, Concreto, Petróleo, etc

Simple o elemental H2, O2, Na, O3, Grafito, diamante, grafeno o fullereno (C), Oro de 24 kilates (Au), Alambre de Cu, etc

Sus componentes se puede separar por métodos químicos

1. SUSTANCIA PURA Es todo cuerpo material homogéneo con composición química definida (posee fórmula o representación simbólica) y por lo tanto, propiedades específicas o propias, como por ejemplo la densidad, solubilidad, reactividad, punto de ebullición, etc, son constantes a determinadas condiciones. La sustancia pura tiene iguales propiedades en toda su extensión. Ejemplos:

1.1 Sustancia simple Es aquella que está constituida por átomos de un mismo elemento. Se representa mediante un símbolo químico y no puede dividirse en otras sustancias más simples por métodos químicos. Ejemplos:

1.2 Sustancia Compuesta Es conocida también como compuesto químico. Esta constituida por átomos de elementos diferentes (moléculas heteroatómicas). Se representa mediante una fórmula y se pueden dividir en sustancias más simples por medio de métodos químicos. Ejemplos:

Oxido férrico (Fe2O3)

Cloruro de sodio (NaCl)

Ácido sulfúrico (H2SO4)

Según su composición cualitativa, los compuestos químicos pueden ser los siguientes: • Binarios: compuestos químicos constituidos por dos elementos químicos diferentes. Ejemplos: propano (C3H8), dióxido de carbono (CO2), agua (H2O). • Ternarios: compuestos químicos constituidos por tres elementos químicos diferentes. Ejemplos: ácido nítrico (HNO3), hidróxido de sodio (NaOH), sulfato cúprico (CuSO4). • Cuaternarios: compuestos químicos constituidos por cuatro elementos químicos diferentes. Ejemplos: bicarbonato de sodio (NaHCO3), nitrato de amonio (NH4NO3). Según su composición cuantitativa, atomicidad (cantidad de átomos por unidad fórmula), las sustancias simples o compuestas pueden ser las siguientes: • Monoatómicas: Fe, Al, Ar, Ne, Pt. • Diatómicas: H2, HCl, CO, N2, O2, NO.

P4

• Triatómicas: O3, H2O, CO2, PbO2, HClO

N2

• Tetraatómicas: P4, AlCl3, NH3, etc.

O3

HCl

H2O NH3

2. MEZCLA Se produce una mezcla cuando se realiza la unión física de dos o más sustancias, simples o compuestas, en la que cada uno de sus componentes conserva su identidad; es decir, sus propiedades químicas permanecen constantes debido a que la estructura de cada sustancia no cambia. Además, es posible separar sus componentes por métodos físico o mecánicos. Las mezclas no poseen fórmula química y su composición es variable.

En una mezcla, la sustancia que se encuentra en mayor proporción se denomina fase dispersante, y la sustancia que se encuentra en menor proporción se denomina fase dispersa. Según el grado de división de las partículas de la fase dispersa y su distribución en la mezcla esta presenta una clasificación. 2.1 Clasificación 2.1.1 Mezcla homogénea Llamada también solución. Es aquella mezcla que ha simple vista, inclusive con la ayuda del microscopio (o ultramicroscopio) no se puede diferenciar sus componentes. Se caracterizan por tener un sola fase y en cualquier porción de la misma se tendrá la misma composición y propiedades. Ejemplos: • Salmuera, que es una mezcla líquida de cloruro de sodio y agua. • Bronce, que es una mezcla sólida de cobre y estaño. • Aire, que es una mezcla gaseosa formada por N2, O2, CO2, CO, H2O(v), etc.

Más ejemplos de mezclas homogéneas: NaCl

componentes H2O C6H12O6

H2O

CH3COOH H2O

NaCl

Salmuera

Vinagre

2.1.2 Mezcla heterogénea Tiene dos o más fases. A simple vista o con ayuda de instrumentos como el microscopio, se diferencia la separación de sus componentes y cualquier porción que se tome tendrá composición y propiedades diferentes. Ejemplos: cuarzo

cuarzo

mica Granito

CaCO3 Caliza

arcilla

Las mezclas heterogéneas pueden ser suspensiones o coloides. Las suspensiones son mezclas en las que se aprecia fácilmente la separación de las fases y, si se deja reposo las partículas de la fase dispersa, sedimentan fácilmente. partícula de arena

. . . . .. .. . ... . . .. ..... .. ... ....... .. ... Arena más agua

H2O

Jugo de frutas

Leche de magnesia

Los coloides son mezclas heterogéneas a diferencia de las suspensiones, las partículas de la fase dispersa (la que está en menor cantidad) no sedimentan.

Vaso de leche

Mayonesa

Gelatina

Otra forma de clasificar la materia

MATERIA

Materia Heterogénea

Materia Homogénea

Mezcla heterogénea (2 o más fases)

Sustancia Sustancia Compuesta Compuesto químico Fórmula química moléculas 2H2O

𝑒−

Mezcla homogénea Solución (1 fase) Sustancia Simple Los componentes de una mezcla se Elemento químico separan por métodos físicos. Símbolo químico átomos

2H2 + O2

Compuesto químico elementos químicos

Los compuestos forman sustancias simples por métodos químicos

Ejemplos

No elementos

No átomos

Atomicidad

H2O NH3 HNO3

binario

triatómica tetratómica pentatómica

3 4

binario ternario

5

MÉTODOS FÍSICOS DE SEPARACIÓN Tamizado Separa mezclas heterogéneas sólidas, en donde los componentes presentan diferentes tamaños de partículas. Ejemplos: separación de la arena de playa, azúcar más arroz, harina más arroz, arena más cemento, etc.

Decantación Separa mezclas heterogéneas de sólidos de líquidos, y líquidos no miscibles. Ejemplos: separación de arena más agua, agua más aceite, etc.

MÉTODOS FÍSICOS DE SEPARACIÓN Filtración Separa mezclas heterogéneas, sólido en líquido, se basa en la diferencia de tamaño de sus partículas. Ejemplos: separación de arena más agua, almidón más agua, etc.

Centrifugación Separa mezclas heterogéneas, para lo cual se usa la fuerza centrífuga para ayudar a precipitar las partículas, Ej: agua turbia, separación del ADN

MÉTODOS FÍSICOS DE SEPARACIÓN Evaporación

Destilación Separa mezclas homogéneas líquidas, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados en una mezcla utilizando la evaporación y la condensación. Ejemplos: separación del alcohol del agua, agua de mar, etc.

Separa mezclas homogéneas donde el punto de ebullición de las sustancias son distantes, pero el solvente se pierde. Ejemplos: separación de sal más agua, azúcar más agua, etc Vapor de agua Capsula de porcelana (cloruro de sodio y agua) mechero

MÉTODOS FÍSICOS DE SEPARACIÓN Cristalización Separa mezclas homogéneas, Sirve para separar sólidos disueltos en un líquido, basados en las diferencias de solubilidad en caliente y en frío, Ejemplos: soluciones salinas, NaCl(ac) con C12H22O11(ac)

Cristales de sulfato de cobre obtenidos mediante cristalización

Cromatografía Se utiliza para separar componentes de una mezcla basados en la diferencia de movilidad de los componentes entre una fase estacionaria y una fase móvil.

MÉTODOS QUÍMICOS DE SEPARACI ÓN Electrólisis

Pirólisis

Una sustancia se descompone por la acción de una corriente eléctrica continua.

Descomposición por calentamiento a altas temperaturas. CaCO3(s)

𝑐𝑒

2NaCl(l) ՜ Na(l) + Cl2(g)

𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟

CaO(s) + CO2(g)

MÉTODOS QUÍMICOS DE SEPARACI ÓN Fotólisis

Fermentación 2C6H12O6(ac)

𝑒𝑛𝑧𝑖𝑚𝑎

2C2H5OH(ac) + 2CO2(g)

Por acción de los fotones de luz 2H2O2(ac)

Se da por acción de una enzima que es un proteína biocatalizadora

𝑙𝑢𝑧

2H2O(l) + O2(g)

3. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA Son las características que adopta cierta cantidad de sustancia bajo una determinada presión y temperatura. Estado sólido

Estado líquido

Posee forma y volumen definidos. Las partículas solo poseen movimiento de vibración debido a que Fr < Fa Es incomprensible.

Posee forma variable y volumen definido. Las partículas vibran y se resbalan una sobre la otra debido a que Fr = Fa Su compresibilidad es casi nula.

Estado gaseoso

Posee forma y volumen variable. Las partículas se encuentran separadas y con movimiento de traslación debido a que Fr > Fa. Es compresible

Los estados físicos de la materia se encuentran agregados por interacciones interatómicas, intermoleculares, interiónicas.

Otros estados de la materia ESTADO PLASMÁTICO En 1879, William Crookes descubrió el cuarto estado de la materia durante sus experimentos con gases y lo llamó “materia radiante”. Más tarde, el físico inglés J.J Thomson demostró que parte de las partículas del gas había perdido electrones, por lo que este estado de la materia consistía en un flujo de electrones negativos y iones positivos. El científico estadounidense Irving Langmuir le dió el nombre de plasma en 1928.

El estado plasmático es un estado ionizado de la materia a altas temperaturas (mayores a 10 000oC). Aquí la materia esta totalmente ionizada en forma de cationes y electrones libres, las estrellas como el sol está formada por H2 y He a temperaturas altas por ello es el estado de la materia más abundante en el universo. Ejemplo: • Plasma natural: sol, estrellas, lava de volcanes, aureolas boreales, etc. • Plasma artificial: tubos fluorescentes, televisores, etc.

QUINTO ESTADO Condensado de Bose Einstein: es un estado de la materia en el que los átomos tienen la menor cantidad posible de energía y el mayor orden. Los átomos, que han sido enfriados a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un único átomo y actúan en sincronía y armónicamente como una onda. Esta materia coherente posee propiedades de superfluidez y superconductividad.

SEXTO ESTADO Condensado de Fermi: es un estado de la materia, en la que esta, a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, adquiere supefluidez. Se produce a temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto. Fue creado en la universidad de Colorado por primera vez en 1999. El primer condensado de Fermi formado por átomos fue creado en 2003.

4. CAMBIOS DE ESTADO FÍSICO Como se puede apreciar en los ejemplos citados, un estado físico depende del grado de movimiento de sus partículas, por lo tanto, depende de factores externos como la temperatura y presión. Nota: - Estados condensados: sólido y líquido

- Fluidos: líquido y gaseoso. +T , -P

Endotérmico (calentamiento)

líquido

sublimación sólido

-T, +P

Exotérmico (enfriamiento)

gaseoso

Sublimación inversa (deposición, compensación)

El cuerpo material se presenta en el Universo en 4 estados: sólido, líquido, gaseoso y plasmático. Los 3 primeros son los más comunes a temperatura ambiental y por lo tanto de mayor importancia

Todo vapor es un gas pero no todo gas es un vapor vaporización líquido

vapor condensación

El vapor es un tipo de gas, pero en todo momento está en constante transición entre el estado gaseoso y el líquido. Es un gas cuando está por debajo de su temperatura crítica, pero puede ser condenado como líquido incrementando su presión sin reducir su temperatura. También se puede describir al vapor como un estado de equilibrio entre lo líquido y lo gaseoso. Por otra parte, un gas es una sustancia que no puede volverse líquida con tan sólo aplicarle presión. A una temperatura ambiente el gas seguirá siendo gas en su natural estado. Si se quiere cambiar esta fase, entonces es necesario que se cambien tanto la temperatura como la presión. En resumen: Vaporización (líquido → vapor o gas) Gasificación (gas licuado → gas)

Condensación (vapor → líquido) Licuación (gas → líquido)

TIPOS DE VAPORIZACIÓN

Se puede presentar de dos formas Evaporación

Ebullición

Es un fenómeno superficial. • Es la evaporación lenta • Se produce a temperatura ambiente Observación: Se llama volatilización cuando la evaporación es rápida. Ejemplo: gasolina

Es un proceso en toda la masa • Es la vaporización rápida y violenta • Se produce a determinadas temperaturas. Ejemplo: El alcohol hierve a los 78 oC El agua hierve a los 100 oC.

evaporación

5. FENÓMENOS O CAMBIOS DE LA MATERIA Se produce un fenómeno cuando se realizan cambios en la materia de manera espontánea o por la acción de la mano del hombre, quien es capaz de transformarla según su necesidad. Estos cambios pueden o no modificar la estructura y la composición de la materia y con esto alteran sus características. 5.1. FENÓMENO O CAMBIO FÍSICO Podemos hablar de un fenómeno físico cuando se realizan cambios que modifican la estructura interna de la materia sin alterar su composición. Estos cambios se reversibles. Un cambio de fase del agua ilustra muy bien un fenómenos físico. Cuando el agua líquida se solidifica modifica su estructura sin alterar su composición. Este cambio modifica algunas características del agua, tales como su estado físico y su densidad al incremento de su volumen (el hielo flota en al agua).

Solidificación Condensación

5.2. FENÓMENO O CAMBIO QUÍMICO Los cambios que modifican la composición y la estructura de la materia son considerados fenómenos químicos; a diferencia de los fenómenos físicos, estos cambios son irreversibles. Los fenómenos químicos ocurren permanentemente en la naturaleza y, en muchos casos, forman parte de nuestra actividad cotidiana; así tenemos, por ejemplo, la cocción de los alimentos, la oxidación de los metales, la respiración, entre otros. Podemos hablar de un fenómeno físico cuando se realizan cambios que modifican la estructura interna de la materia sin alterar su composición. Estos cambios se reversibles. Oxidación del metano (CH4)

NOTA: Una propiedad química se observa durante un fenómeno químico.

EJEMPLOS DE FENÓMENOS FÍSICOS Y QUÍMICOS Proceso Oxidación del hierro Ebullición del agua

Tipo de fenómeno

Observaciones

químico

El metal brillante y lustroso se transforma en oxido café rojizo.

físico

El líquido se transforma a vapor.

Ignición del azufre en al aire

químico

El azufre sólido y amarillo se transforma en dióxido de azufre, gas sofocante.

Pasar un huevo por agua hirviendo

químico

La yema y la clara líquidas se transforman en sólidas, desnaturalización de proteínas.

químico

El combustible líquido se quema y se transforma en monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua.

químico

Los alimentos se transforman en nutrientes líquidos y desechos solidos.

químico

La madera arde y se transforma en cenizas, CO2 y agua.

físico

El vidrio sólido se transforma en una pasta deformable, así puede cambiar su forma.

Combustión gasolina Digestión alimentos Quemado madera

de de de

Calentamiento vidrio

la los la

del

Cuando ocurren cambios químicos o físicos siempre hay absorción o liberación de energía. Para fundir hielo se necesita energía, y se requiere de ésta para hervir agua. Al contrario, la condensación de vapor de agua para formar agua líquida siempre tiene lugar con liberación de energía, como también ocurre en la congelación de agua líquida para formar hielo. Los cambios de energía que acompañan a estos cambios físicos del agua se muestran en la figura. A la presión de una atmósfera, el hielo siempre se funde a la misma temperatura (0 °C) y el agua pura siempre hierve a 100 °C.

6. PROPIEDADES DE LA MATERIA La naturaleza esta constituida de materia que se presenta en sud diferentes formas y cada una de ellas con propiedades que las diferencian una de otras. Estas propiedades son físicas y químicas. 6.1. PROPIEDADES FÍSICAS Cuando se evalúan estas propiedades, la materia no sufre cambios en su estructura interna ósea en su composición. Estas propiedades pueden ser generales y particulares (específicas). a. PROPIEDADES GENERALES Son características que presenta todo cuerpo material. No proporciona información acerca de la forma como la materia se comporta y se distingue de las demás. Las propiedades generales son: masa (constante, se mide con la balanza) , peso (variable, se mide con el dinamómetro), volumen (extensión), impenetrabilidad, indestructibilidad, inercia, divisibilidad, discontinuidad, y porosidad. b. PROPIEDADES PARTICULARES O ESPECÍFICAS Son características que permiten identificar o diferenciar una sustancia de otra. Algunos ejemplos de estas son: dureza, fragilidad, tenacidad, conductividad, densidad, color, olor, sabor, brillo, ductilidad , viscosidad, solubilidad, maleabilidad, volatilidad, elasticidad. etc.

6.2. PROPIEDADES QUÍMICAS Cuando se evalúan estas propiedades, la materia su sufre cambios en su estructura interna ósea en su composición, para esto ocurre un fenómeno o transformación química. Algunos ejemplos de estas son: inflamabilidad, combustibilidad, reactividad, inerte, descomposición, acidez, alcalinidad, toxicidad, corrosividad, digestión, inoxidabilidad, oxidabilidad, desinfectante, electronegatividad, etc Observación: Otra clasificación de las propiedades, en función de la cantidad de sustancia analizada es: a. PROPIEDADES EXTENSIVAS Son aquellas que dependen de la cantidad de materia (masa) en una muestra. Son aditivas, se pueden sumar. Ejemplos: masa, peso, volumen, longitud, área, energía, inercia, cantidad de sustancia (mol), capacidad calorífica, calor, fuerza, energía cinética (Ec), ∆𝐻, ∆𝑆, etc b. PROPIEDADES INTENSIVAS Son aquellas que no dependen de la cantidad de materia (masa) en una muestra. Estas propiedades no son aditivas e identifican a un material. Ejemplos: conductividad, dureza, densidad, color, olor, sabor, concentración, punto de ebullición y de fusión, temperatura, presión, presión de vapor, brillo, volumen específico (mL/g), calor especifico, densidad relativa, maleabilidad, punto triple, ductibilidad, etc.

EJEMPLOS DE PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS EN EL HIERRO Propiedades Químicas

Propiedades Físicas • Es de color gris plateado • Es blando • Fácilmente se puede convertir en alambres (dúctil) y en láminas (maleable). • Es magnético. • Es buen conductor del calor y de la electricidad. • La densidad es 7,86 g/cm3. • El punto de ebullición es a 3000oC. • El punto de fusión es a 1536oC.

• • • • •

Reacciona suavemente con el aire. Se oxida fácilmente a 2+ y a 3+. Es un buen agente reductor. Si se pone al rojo vivo, arde. Reacciona con los ácidos diluidos desplazando al hidrógeno. • Reacciona con los halógenos. • Se vuelve pasivo con los ácidos fuertes, porque forma una capa de óxido protectora.

NOTA: • Toda propiedad química es Intensiva, pero no toda propiedad intensiva es una propiedad química • Las propiedades químicas se miden a través de fenómenos químicos. • Las propiedades físicas particulares e intensivas permiten caracterizar o identificar una sustancia.

EJEMPLO APLICATIVO (EXAMEN DE ADMISIÓN UNI 2018 – 2) Respecto a las propiedades físicas de la materia, ¿cuántas de las siguientes propiedades son extensivas? I. A) 1

Viscosidad

II. Densidad B) 2

III. Masa C) 3

IV. Dureza D) 4

V. Inercia E) 5

EJEMPLO APLICATIVO (EXAMEN DE ADMISIÓN UNI 2019 – 1) En el horno eléctrico de una siderúrgica se coloca chatarra de acero y después de unos minutos se observa la formación de gases pardo-rojizos los cuales, en corto tiempo, se difunden en el área de trabajo y la zona aledaña. Por otro lado, el acero fundido obtenido en el horno, se vierte en moldes de madera. Pasado un tiempo, a partir del acero fundido se obtienen bolas de acero utilizadas en los molinos. ¿Cuántas de las observaciones subrayadas involucran cambios físicos y químicos, respectivamente? A) 0, 4

I.

B) 1, 3

C) 2, 2

D) 3, 1

E) 4, 0

La formación de gases pardo-rojizos implica la aparición del NO2 que se forma a partir del N2 atmosférico por la alta temperatura en el horno (cambio químico). II. La difusión del NO2 implica un cambio físico. III. El acero fundido implica un cambio físico de sólido a líquido. IV. Del acero fundido se obtiene bolas de acero, implica otro cambio físico de líquido a sólido.

7. MUESTRAS NANOSCÓPICAS

Ar

H2O

Sustancia compuesta (compuesto químico, moléculas iguales)

Sustancia simple (elemento químico, átomos iguales)

H2

O2 He

Sustancia simple (elemento químico, moléculas iguales)

Mezcla homogénea (elemento - elemento)

O3 H2O

H2O CO

Mezcla homogénea (compuesto - compuesto)

Mezcla homogénea (elemento - compuesto)

HCl

Fe

Au

Cu Mezcla heterogénea (compuesto - elemento)

Mezcla heterogénea (elemento - elemento)

ESTRUCTURA

ATÓMICA

Actualmente, es aceptado el carácter discontinuo de la materia. Los cuerpos materiales sólidos, líquidos y gaseosos están constituidos por partículas muy diminutas denominadas átomos. La unidad fundamental actual de la materia es el átomo, el cual es una partícula de dimensiones muy diminutas y no permite observarse a simple vista ni con el microscopio óptico, pero existen numerosas pruebas experimentales que confirman su existencia.

Un microscopio de barrido de efecto túnel es un instrumento para observar imágenes de superficies a nivel atómico. Cuando tienen una resolución adecuada, los átomos se ilustran como esferas. Fue inventado en 1891 por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer

Una imagen de alambres delgados, con espesor de sólo 10 átomos, colocados sobre una superficie de silicio. La imagen se obtuvo con un microscopio de barrido de efecto túnel.

1. CONCEPTO ACTUAL DEL ÁTOMO La concepción del átomo ha sido cambiante a medida del avance de la ciencia y tecnología. En la actualidad, podemos afirmar lo siguiente: • El átomo es la partícula más pequeña de un elemento químico que conserva las propiedades de dicho elemento. • Es un sistema organizado, dinámico y energético en equilibrio. Es organizado ya que esta constituido por dos partes bien definidas; es energético porque las partículas subatómicas están en plena interacción y movimiento. • Se considera una partícula esférica eléctricamente neutra. Esquema: átomo de litio Un átomo de litio zona extranuclear o nube electrónica Núcleo atómico

litio

átomos de litio

electrón (e-) protón (p+) neutrón (no)

Nucleones fundamentales

Partículas subatómicas fundamentales

# protones (+) = # electrones (−) (∴ el átomo es un sistema eléctricamente neutro)

átomo de litio

DA = 104 DN (Rutherford)

Del átomo de litio, se deduce que el átomo es divisible y que tiene dos partes que influyen en las propiedades del átomo: Zona extranuclear

Núcleo

contiene

contiene

Únicamente electrones

Protones y neutrones fundamentalmente

posee

posee

Carga negativa

Carga positiva

determina

determina

El volumen atómico

La masa atómica

P A R T E S Núcleo

El núcleo que es la parte central, muy pequeño y de carga positiva, contiene aproximadamente 200 tipos partículas denominadas nucleones, de los cuales, los protones y neutrones son los más importantes (nucleones fundamentales). Estos poseen gran masa en comparación con otras partículas, por lo tanto, el núcleo atómico concentra casi toda la totalidad de la masa atómica (99,99% de dicha masa) Los nucleones se mantienen unidos mediante una fuerza nuclear o fuerza fuerte, que es la fuerza natural más grande que se conoce y tiene corto alcance, solo para dimensiones nucleares.

D E L

Á T O M O

Envoltura o zona extranuclear Es un espacio muy grande (constituye el 99,99 % del volumen atómico), donde se encuentran los electrones ocupando ciertos estados de energía (orbitales, subniveles y niveles). Los electrones se encuentran a distancias no definidas respecto al núcleo y se desplazan en torno a ella en trayectorias también indefinidas, porque según la mecánica cuántica, solo podemos determinar la región espacial energética donde existe la mayor probabilidad de encontrar un electrón, llamado orbital.

2. PARTÍCULAS SUBATÓMICAS FUNDAMENTALES Son aquellas que determinan las características físicas y químicas del átomo y, por lo tanto, de la materia. Muchas de las propiedades físicas de los átomos, como masa, densidad o capacidad radiactiva, se relacionan con el núcleo. Por el contrario, de la distribución de los electrones en la periferia del átomo dependen las propiedades químicas como la capacidad para formar compuestos con otros átomos de otros elementos químicos.

e- , −10𝛽 p+, 11𝐻 no , 10𝑛

¿Qué se puede deducir? • La masa (no > p+ >> e-) del electrón resulta insignificante al compararse con las del p+ y no. Como el núcleo contiene a estas partículas mas pesadas, se puede plantear lo siguiente: masa (núcleo) ≈ 99,99 % masa (átomo) es decir, el núcleo define la masa atómica. • El volumen o tamaño del átomo depende de la corteza o zona extranuclear. • La masa del protón es 1835 veces mayor que la del electrón.

• El electrón, protón y neutrón es idéntico para todos los átomos; así por ejemplo, el electrón o protón de un átomo de carbono es idéntico al del átomo de oro o cualquier otro elemento. • El electrón y el protón poseen igual carga y signos opuestos, que constituyen la unidad elemental de carga eléctrica de la materia. • El electrón y el protón son las partículas subatómicas fundamentales de mayor estabilidad (más estable) fuera del átomo y el neutrón es el de menor estabilidad (inestable). • Los quarks son las partículas mas pequeñas que constituyen la materia, por lo tanto, son partículas elementales de la materia. Los físicos norteamericanos Friedman y Kendall y el canadiense R. Taylor ganaron el Permio Nobel de Física en 1999 por sus trabajos que han conducido a demostrar que los quarks son las mínimas expresiones de la materia hasta ahora encontradas.

ESPECIES ATÓMICAS Y IÓNICAS Ion

Átomo neutro (basal)

Posee una carga neta igual a cero, por ello: Anión

Catión

# 𝑝+ = # 𝑒 − = 𝑍 Símbolo del núclido 𝐴 𝑍𝐸 o 𝐸 − 𝐴(𝑍)

Cuando el átomo pierde electrones 𝐴 𝑞+ 𝑍𝐸

Cuando el átomo gana electrones 𝐴 𝑞− 𝑍𝐸

# 𝑒− = 𝑍 − 𝑞

# 𝑒− = 𝑍 + 𝑞

Donde 𝑍 = # 𝑝+ Además: 𝐴 = 𝑍 + # 𝑛𝑜 ՜ 𝐴 = # 𝑝+ + # 𝑛𝑜 Tipos de Núclido Isótopos o Hílidos

Isóbaros

Isótonos

Poseen igual número atómico. Ej: 126𝐶 y 146𝐶

Poseen igual número de masa. 40 Ej : 40 20𝐶𝑎 y 18𝐴𝑟

Poseen igual número de neutrones. Ej : 115𝐵 y 126𝐶

Teniendo en cuenta las cantidades de protones y neutrones existentes en los átomos se establecen los tipos de núclidos. La igualdad en la cantidad de estas partículas origina propiedades similares en los átomos. TIPOS DE NÚCLIDO Isótopos o Hílidos

Isóbaros

Isótonos

(iso = igual, topo = lugar) Presenta igual números de protones, las propiedades químicas son similares, por ejemplo los isótopos del hidrógeno 3 1 2 1𝐻 1𝐻 1𝐻 (protio) (deuterio) (tritio)

(iso = igual, baro = masa) Presenta igual números de masa (A) Al pertenecer a elementos diferentes presentan propiedades físicas y químicas diferentes. Ej: 146𝐶 y 147𝑁

Presenta igual números de neutrones Al pertenecer a elementos diferentes presentan propiedades físicas y químicas diferentes. Ej: 115𝐵 y 126𝐶

pueden combinarse con el oxígeno y formar agua, cada una de la cual difiere en sus propiedades físicas

Un núclido es la representación de la composición del núcleo de un átomo, por esa razón a las especies isoelectrónicas no se les considera un tipo de núclido ya que esta se encuentra relacionada con el número de electrones.

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo. Esta formado por tres isótopos naturales, son los únicos isótopos con nombres específicos. Isótopo

1 1𝐻

2 1𝐻

3 1𝐻

# no

1

2

Nombre específico

0 protio (H)

deuterio (D)

tritio (T)

Núcleo

estable

estable

inestable

99,985%

0,015%

muy poco

Abundancia porcentual Tipo de agua que forma

H2O Agua común

D2O Agua pesada

T2O Agua superpesada

Temp. de ebullición (oC)

100

101,4

----------

• A mayor número de masa, le corresponde mayor masa (isótopo pesado) • Los tres isótopos presentan propiedades químicas similares; ello demuestra que, al combinarse con oxígeno, los tres isótopos producen agua.

Observación

• En todo núclido se cumple: A > Z, con excepción del protio ( 11𝐻) que no posee neutrones en su núcleo por que A = Z = 1. • Todos los átomos tienen protones. • En general el número de neutrones en un núcleo atómico es mayor o igual al número de protones. • Como los isótopos tienen igual Z o igual #p+, se ubican en el mismo lugar dentro de la tabla periódica. • Hay isótopos naturales como artificiales (obtenidos por bombardeo nuclear, son inestables). • Todos los elementos presentan isótopos artificiales. • Dentro de los isótopos naturales, hay algunos que con el paso del tiempo se desintegran; a estos se les denomina radioisótopos, tal como lo es el C14. • El isótopo de un elemento con menor número de masa, generalmente es el más abundante. • Existen cerca de 20 elementos que no poseen isótopos naturales (poseen un solo 31 tipo de núclido natural); entre los principales tenemos: 42He; 29Be; 199F; 23 11Na; 15P; 45 59 75 21Sc; 27Co; 33As ; etc

¿Qué es un ion? Es toda especie que esta eléctricamente cargada; es decir, tiene carga positiva o negativa debido a la perdida o ganancia de electrones respectivamente. Catión

Anión

Especie positiva debido a la perdida de uno o más electrones, o aquella especie que es el resultado de la oxidación. 27 13𝐴𝑙

𝑠𝑖 𝑝𝑖𝑒𝑟𝑑𝑒 3 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠

Átomo neutro 𝑝+

# = 13 − # 𝑒 = 13

27 +3 13𝐴𝑙

catión trivalente (ion tripositivo) # 𝑝+ = 13 # 𝑒 − = 10

Especie negativa debido a la ganancia de uno o más electrones , o aquella especie que es el resultado de la reducción. 16 8𝑂

𝑠𝑖 𝑔𝑎𝑛𝑎 2 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠

Átomo neutro # 𝑝+ = 8 # 𝑒− = 8

16 −2 8𝑂

anión divalente (ion binegativo) # 𝑝+ = 8 # 𝑒 − = 10

En resumen: en un anión o catión se cumplen que el #p+ = Z, pero en un catión el #p+ > #𝑒 − y en un anión el #p+ < #𝑒 − . Generalmente, los átomos de elementos metálicos se oxidan y los no metálicos se reducen

EJEMPLO APLICATIVO – 1 Para los núclidos #no, #p+ y #e-.

197 84 25 2+ 16 2− 79𝐴𝑢, 36𝐾𝑟, 12𝑀𝑔 , 8𝑂

identifique A y Z, luego determine

Se realiza una tabla de cuatro filas y seis columnas A

Z

#no = A – Z

#p+ = Z

#e-

197 79𝐴𝑢

197

79

118

79

79

84 36𝐾𝑟

84

36

48

36

36

25

12

13

12

10

16

8

8

8

10

Núclido

25 2+ 12𝑀𝑔

catión divalente 16 2− 8𝑂

anión divalente

EJEMPLO APLICATIVO – 2 Para el núclido, nombre.

55 25𝑀𝑛

interprete la zona extranuclear y el núcleo, además, indique el

El símbolo representa a un átomo neutro del elemento manganeso con las siguientes características: A Z

55 25𝑀𝑛

Posee 25 e-

La zona extranuclear

Qrelativa = 25 (−1) = −25 Qabsoluta = 25 (−1,6 x 10-19 C) = −4 x 10−18 C

El núcleo

Posee (55−25)= 30 no Posee 25 p+ Qrelativa = 25 (+1) = +25 Qabsoluta = 25 (+1,6 x 10-19 C) = +4 x 10−18 C Nombre: manganeso - 55

Bibliografía  Brown, T. y Eugene L. (2009). química, la ciencia central. México: Pearson

d

Educación, 10(1), 392 - 420.

 Chang, R. y Williams, x C. (2003). química. Decima edición. México: 𝑉𝐻𝐶𝑙5(1), = A.174 (d-x)- 215. McGraw-Hill Editores, 𝑉𝑁𝐻3interamericana = A. x  Petrucci, R y Harwood, S. (2003). química general. Prentice Hall. Decima

edición. México, 6(1), 192 – 240.  Withen, K. y Davis, R. (1998). química general. Editorial Mc Graw-Hill interamericana. Madrid, 12(1), 740 – 820.

Muchas gracias