Módulo de Química - Facultad de Ciencias Exactas
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Ingreso de la Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Módulo de Química Universidad Nacional de Río Cuarto Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales w w w. e x a . u n r c . e d u . a r Ingreso de la Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas Integración a ylaNaturales vida universitaria Módulo de Química a través de las TIC Equipo de trabajo: Elisa Milanesio Marcela Altamirano Universidad Nacional de Río Cuarto Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Ingreso de la Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas Integración a ylaNaturales vida universitaria Módulo de Química a través de las TIC ¿Cómo leer este material? A lo largo del material encontrarán los siguientes iconos: Importante Actividad Tener en cuenta, destacar, recordatorio, atención. Tareas, consignas, situaciones problemáticas. Reflexión Ejemplo Interrogantes, planteos. Ilustración, aclaración. Bibliografía Material bibliográfico, lecturas sugeridas. Desde el índice podrán acceder a través de los enlaces a cada uno de los temas que se detallan en el mismo. Volver Permite retornar al índice. Este material ha sido elaborado en forma conjunta con los docentes y el Centro de Planificación, Evaluación e Investigación de Procesos Educativos en Red (CEPEIPER), dependiente de la Secretaría Académica de la UNRC en el marco del Proyecto de Ingreso, Orientaciones para el Diseño, Implementación y Evaluación de Proyectos para la Integración a la Cultura Universitaria 2016-2019. UNRC- Secretaría Académica - CEPEIPER Modulo Química Contenido Química ................................................................................................ 2 Métodos de separación ................................................................... 4 Reacciones químicas .................................................................... 10 Ecuaciones químicas .................................................................... 12 Símbolos y Formulas ..................................................................... 13 Compuestos inorgánicos .............................................................. 14 Número de Oxidación ............................................................... 14 Principio de electroneutralidad ................................................ 14 Formación de Compuestos ...................................................... 15 Estequiometría............................................................................... 21 Masa Atómica .......................................................................... 21 Átomo-gramo y número de Avogadro ..................................... 22 Mol y peso molecular ............................................................... 23 Actividad de lecto-escritura .......................................................... 24 1 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Química ¿Alguna vez te has preguntado por qué el hielo se derrite y el agua se evapora? ¿Por qué las hojas cambian de color en otoño y como una batería genera electricidad? ¿Por qué si mantenemos fríos los alimentos retardan su descomposición y como nuestros cuerpos usan los alimentos para mantener la vida? La Química proporciona respuestas a estas preguntas y a un sin número de otras similares. La Química es el estudio de las propiedades de los materiales y de los cambios que sufren estos. Uno de los atractivos de aprender química es ver cómo los principios químicos operan en todos los aspectos de nuestra vida, desde las actividades cotidianas como ver que una manzana se oscurece después de cortarla hasta cuestiones más trascendentes como el desarrollo de medicamentos para curar enfermedades. Materia es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. La materia está formada por átomos y moléculas. Todo lo que nos rodea e incluso nosotros mismos estamos hechos por materia. El aire, la tierra, el agua, los animales, las plantas, los edificios, los vehículos; están constituidos por miles de millones de átomos y moléculas que forman parte de nuestra vida diaria. La química implica estudiar las propiedades y el comportamiento de la materia. Una muestra de materia puede ser gaseosa, liquida o sólida. Estas tres formas de materia se denominan estados de la materia. Los estados de la materia difieren en algunas de sus propiedades observables. Un gas no tiene volumen ni forma fijos, se ajusta al volumen y la forma del recipiente que lo contiene. Un líquido tiene un volumen definido independiente del recipiente pero no tiene forma específica, asume la forma de la porción del recipiente que ocupa. Un sólido tiene forma y volumen definidos, es rígido. No todas las formas de materia son tan comunes o tan conocidas, pero numerosos experimentos han demostrado que la enorme variedad de la materia en nuestro mundo se debe a la combinación de apenas un poco más de un ciento de sustancias muy básicas o elementales Las sustancias puras están formadas por átomos o moléculas iguales, tienen propiedades específicas que las caracterizan y no pueden separarse en otras sustancias por procedimientos físicos. Las Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 2 Modulo Química sustancias puras se clasifican en elementos y compuestos. Los elementos también pueden llamarse sustancias puras simples y están formados por una sola clase de átomos, es decir, átomos con el mismo número de protones en su núcleo y por lo tanto con las mismas propiedades químicas. Los elementos no pueden descomponerse en otras sustancias puras más sencillas por ningún procedimiento. Son sustancias puras simples todos los elementos químicos de la tabla periódica. A las sustancias formadas por moléculas compuestas por átomos iguales, por ejemplo el oxígeno gaseoso u oxigeno molecular. Los compuestos son sustancias formadas por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica en proporciones fijas. Una característica de los compuestos es que poseen una fórmula química que describe los diferentes elementos que forman al compuesto y su cantidad. Los métodos físicos no pueden separar un compuesto, estos solo pueden ser separados en sustancias más simples por métodos químicos, es decir, mediante reacciones. Por ejemplo, el agua es una sustancia pura, pero si la sometemos a electrolisis la podemos separar en los elementos que la forman, el oxígeno y el hidrogeno. Los elementos están formados por un solo tipo de átomos. Los compuestos están formados por la unión de dos o más elementos. Una mezcla resulta de la combinación de dos o más sustancias donde la identidad básica de cada una no se altera, es decir, no pierden sus propiedades y características por el hecho de mezclarse, porque al hacerlo no ocurre ninguna reacción química. Por ejemplo, si una mezcla de limaduras de hierro con azufre, cada sustancia conserva sus propiedades. La composición de las mezclas es variable, las sustancias que componen a una mezcla pueden presentarse en mayor o menor cantidad. Otra característica de las mezclas es que pueden separarse por métodos físicos. En la mezcla de hierro y azufre puede utilizarse la propiedad de magnetismo que presenta el hierro para ser separado del azufre. Las mezclas homogéneas se llaman también disoluciones. Tienen una apariencia totalmente uniforme por lo que sus componentes no pueden distinguirse a simple vista. Se dice que este tipo de mezclas tiene una sola fase. En química se denomina fase a una porción de materia con composición y propiedades uniforme. Por ejemplo, el agua de mar está formada por agua y muchas sales solubles, donde se observa una sola fase. Las mezclas heterogéneas presentan una composición no uniforme, sus componentes pueden distinguirse a simple vista, en otras palabras, se observan diferentes sustancias en la mezcla. Los Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 3 Modulo Química componentes de este tipo de mezcla existen como regiones distintas que se llaman fases. Una mezcla heterogénea se compone de dos o más fases. Si se observa la piedra de granito, se puede ver zonas de distinto color que indican que la roca está formada por cristales de distintas sustancias. La sustancias en el mundo, tal y como lo conocemos, se caracterizan por sus propiedades físicas o químicas, es decir, cómo reaccionan a los cambios sobre ellas. Las propiedades físicas son aquellas que se pueden medir, sin que se afecte la composición o identidad de la sustancia. Podemos poner como ejemplo, el punto de fusión (ejemplo del agua). También existen las propiedades químicas, las cuales se observan cuando una sustancia sufre un cambio químico, es decir, en su estructura interna, transformándose en otra sustancia, dichos cambios químicos, son generalmente irreversibles (ejemplo: formación de agua, huevo cocido, madera quemada). Otro grupo de propiedades que caracterizan la materia son las Extensivas e Intensivas, las propiedades extensivas se caracterizan porque dependen de la cantidad de materia presente. La masa es una propiedad Extensiva, más materia significa más masa, además, las propiedades Extensivas se pueden sumar (son aditivas), el Volumen también lo es. Las propiedades intensivas, no dependen de la cantidad de masa, además, no son aditivas, tenemos un ejemplo, la densidad, esta no cambia con la cantidad de materia, la temperatura también es una propiedad intensiva. Al igual que se hace con las propiedades de una sustancia, los cambios que sufren las sustancias se pueden clasificar como físicos o químicos. Durante un cambio físico, las sustancias varían su apariencia física pero no su composición. La evaporación del agua es un cambio físico. En los cambios químicos (también llamados reacciones), las sustancias se transforman en sustancias químicamente distintas. Mezcla Homogénea: una sola fase. Mezcla Heterogénea: dos o más fases. Volver Métodos de separación Los métodos de separación de fases de mezclas son aquellos procesos físicos por los cuales se pueden separar los componentes de una mezcla. Por lo general el método a utilizar se define de acuerdo al tipo de componentes de la mezcla y a sus propiedades particulares, así como las diferencias más importantes entre las fases. La separación es la operación en la que una mezcla se somete a algún tratamiento que la divide en al menos dos sustancias diferentes. En el proceso de separación, las sustancias conservan su identidad, sin cambio alguno en sus propiedades químicas. Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 4 Modulo Química Entre las propiedades físicas de las fases que se aprovechan para su separación, se encuentra el punto de ebullición, la solubilidad, la densidad y otras más. Algunos métodos de separación de mezclas más comunes son los siguientes: La decantación se utiliza para que los líquidos que no se disuelven entre sí, como el agua y aceite, o un sólido insoluble en un líquido, como arena y agua. La decantación es el método de separación más sencillo y comúnmente es el preámbulo a utilizar otros más complejos con la finalidad de lograr la mayor pureza posible. Para separar dos fases por medio de la decantación, se debe dejar la mezcla en reposo hasta que la sustancia más densa sedimente en el fondo. Fig. 1.Ampolla de decantación La filtración es el método que se usa para separar un sólido insoluble de un líquido. El estado de subdivisión del solido es tal que lo obliga a quedar retenido en un medio poroso o filtro por el cual se hace pasar la mezcla. Este método es ampliamente usado en varias actividades humanas, teniendo como ejemplo de filtros percoladores para hacer café, telas de algodón o sintéticas, coladores o cribas caseros y los filtros porosos industriales, de cerámica, vidrio, arena o carbón. Fig. 2.Filtración La imantación es un método que consiste en separar una mezcla en la que una de las sustancias tiene propiedades magnéticas, Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 5 Modulo Química es decir, se utiliza un material que contenga un campo magnético para separar las sustancias metálicas en la mezcla, como la extracción de las limaduras de hierro en una mezcla con arena. No todos los sólidos que tengan propiedades magnéticas, pueden ser separados por imantación. Fig. 3.Imantación La levigación es un método que consiste en tratar una mezcla con un disolvente líquido para separar algunos de sus componentes, ya sea por el arrastre de una sustancia, como en la extracción del almidón, o porque una fase es soluble en el líquido y por ende se separa del resto de la mezcla, no soluble. Es una mezcla de dos elementos o más. Fig. 4.Levigación La tría es un método de separación que consiste en separar con pinzas o simplemente con las manos las fases sólidas de mayor tamaño de las de menor tamaño dispersas en otro sólido o en un líquido de un sistema heterogéneo. Es un tipo de tamización. La flotación es en realidad una forma de decantación. Se utiliza para separar un sólido con menos densidad que el líquido en que está suspendido, por ejemplo, en una mezcla de agua y trozos de corcho. 6 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Fig. 5.Flotación La destilación se usa para separar dos líquidos miscibles entre sí, que tienen distinto punto de ebullición, como una mezcla de agua y alcohol etílico; o bien, un sólido no volátil disuelto en un líquido, como la mezcla de permanganato de potasio disuelto en agua. El proceso de destilación se inicia al aplicar altas temperaturas a la mezcla. El líquido más volátil se evaporará primero, quedando el otro puro. Luego, la fase evaporada se recupera mediante al disminuir la temperatura. Según el tipo de mezcla que se desee separar, se contemplan dos tipos de destilación: la destilación simple en la cual se separan sólido y líquido; y la destilación fraccionada en la que se separan dos líquidos. En la segunda es en la que se obtiene una mejor separación de los componentes, si bien esta va a depender de qué tan alta sea la diferencia entre los puntos de ebullición de las diferentes fases. Los métodos de destilación son ampliamente utilizados en la industria licorera, la petrolera y la de tratamiento de aguas, así como en los laboratorios. Fig. 6.Destilación simple La cromatografía comprende un conjunto de diversos métodos de separación de mezclas muy útiles en la industria como en la investigación. Se utiliza para separar e identificar mezclas complejas que no se pueden separar por otros medios. Existen varios métodos cromatográficos: de papel, de capa delgada o capa fina, de columna y Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 7 Modulo Química de gas. Todos, sin embargo, utilizan como principio la propiedad de capilaridad por la cual una sustancia se desplaza a través de un medio determinado. El medio se conoce como fase estacionaria y la sustancia como fase móvil. Por ejemplo, si un refresco cae sobre una servilleta de papel, aquél busca ocupar toda la superficie de ésta. En este caso, la servilleta es la fase estacionaria y el refresco, la fase móvil. Para que la fase móvil se desplace por la fase estacionaria debe existir cierta atracción entre ellas. La intensidad de esta atracción varía de una sustancia a otra, por lo que el desplazamiento se realiza a diferentes velocidades. La cromatografía aprovecha estas diferencias (de solubilidad) para separar una mezcla: el componente más soluble se desplaza más rápido por la fase estacionaria, y los otros quedan rezagados. Dependiendo del material utilizado como fase estacionaria, esta puede adoptar una coloración permitiendo diferenciar con mayor facilidad las sustancias. Fig. 7. Cromatografía en papel 8 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Actividad 1) Clasifica cada una de las siguientes como sustancias puras o mezcla, si es una mezcla, indica si es homogénea o heterogénea: a- Arroz con leche e- aire b- Agua de mar f- cristales de iodo c- Magnesio g- arena d- Nafta h- carbono 2) Lee la siguiente descripción del elemento zinc e indica cuáles de las propiedades son físicas y cuáles químicas. El zinc es un metal color gris plateado que funde a 420°C. Cuando se añaden gránulos de zinc a ácido sulfúrico diluido, se desprende hidrógeno y el metal se disuelve. El zinc tiene una dureza en la escala Mohs de 2.5 y una densidad de 7.13 g/ml a 25°C. Reacciona lentamente con oxígeno gaseoso a temperaturas elevadas para formar óxido de zinc. 3) Se enciende un fosforo y se sostiene bajo un trozo de metal frío. Se hacen las siguientes observaciones: a-El fósforo arde b-El metal se calienta c-Se condensa agua sobre el metal d-Se deposita hollín (carbono) sobre el metal ¿Cuál de estos sucesos se deben a cambios físicos y cuáles a cambios químicos? 4) Sugiere un método para separar cada una de estas mezclas en sus dos componentes: a- Azúcar, arena y talco b- Hierro y azufre c- Iodo y cloruro de sodio (sal de mesa) 5) Un matraz contiene un líquido transparente e incoloro. Si es agua, ¿Cómo podrías determinar si contiene azúcar disuelta o no, sin probarla? Volver 9 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Reacciones químicas La materia puede sufrir cambios mediante diversos procesos. No obstante, todos esos cambios se pueden agrupar en dos tipos: cambios físicos y cambios químicos. Cuando ocurre un cambio físico, no se producen cambios en la naturaleza de las sustancias que intervienen. Los cambios físicos involucran cambios de estado, mezclas de sustancias, diluciones o separación de sustancias en mezclas o disoluciones. Algunos ejemplos de este tipo de cambios son: • La solidificación del agua • La evaporación de un perfume • Trozar una fruta • Azúcar en miel • Sal disuelta en agua • Sublimación de la naftalina • Trozos de papel • Aserrín de madera • Limaduras de hierro • Fusión de un metal Por otro lado, en los cambios químicos las sustancias alteran su naturaleza, es decir que desaparecen unas y aparecen otras con propiedades muy distintas. Estos cambios químicos involucran el concepto de reacción química. Una reacción química es un proceso por el cual una o más sustancias, llamados reactivos, se transforman en otra u otras sustancias con propiedades diferentes, llamadas productos. En una reacción química, los enlaces entre los átomos que forman los reactivos se rompen. Entonces, los átomos se reorganizan de otro modo, formando nuevos enlaces y dando lugar a una o más sustancias diferentes a las de origen. Los cambios que se producen en las reacciones no incluyen la posibilidad de que un elemento se transforme en otro elemento, lo cual Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 10 Modulo Química implicaría una modificación en la naturaleza misma de los átomos, más precisamente en el núcleo. En toda reacción química se conservan la masa, el tipo y la cantidad de átomos. Algunos ejemplos de reacciones químicas son: • Obtención de agua a partir de hidrógeno con oxígeno, bajo las condiciones adecuadas • Fotosíntesis de las plantas • Descomposición de frutas y verduras • Combustión Las reacciones químicas pueden clasificarse de la siguiente manera: Reacción de combinación o síntesis: unión de dos o más reactivos para formar un producto A + BC ABC Reacción de descomposición: obtención de dos o más productos a partir de un reactivo ABC A + BC Reacción de desplazamiento o sustitución: reemplazo de un átomo de una molécula A + BC AC + B Reacción de oxidación y reducción: transferencia de electrones entre dos reactivos diferentes A+ + B0 A0 + B+ Reacciones endotérmicas: absorben calor A + B + calor AB Reacciones exotérmicas: liberan calor A + B Te invitamos a visitar este sitio para que aprecies visualmente algunas reacciones químicas https://www.youtube.co m/watch?v=P4GdCd0Oy YY A B + calor Reacciones fotoquímicas: absorben o generan luz Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 11 Modulo Química A + hυ B Para poder interpretar procesos, describir lo que sucede en los estados inicial y final de una reacción química, y conocer el intercambio de energía con el medio utilizamos las ecuaciones químicas. Volver Ecuaciones químicas Las ecuaciones químicas se escriben, en principio, colocando las fórmulas de las sustancias reactivas separadas de los productos por una flecha que simboliza la transformación. Reactivos Productos Referidos al observador, a la izquierda se escriben las fórmulas de los reactivos y a la derecha, las fórmulas de los productos. Cuando los reactivos o productos son más de uno, se colocan sumados. Además, en una ecuación química se puede indicar el estado físico de los reactivos y productos mediante los símbolos (g), (l) y (s), que corresponden a los estados gaseoso, líquido y sólido, respectivamente y (ac) para indicar que una sustancia se encuentra en disolución acuosa. A(ac) + B(s) C(g) + D(ac) Como en una reacción química los átomos de los elementos se conservan, aunque se encuentren en diferentes sustancias, la ecuación química se ajusta (balancea) introduciendo coeficientes numéricos, de manera de obtener igual número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación. Para equilibrar ecuaciones, sólo se puede agregar coeficientes a las fórmulas que lo necesiten, pero no se puede cambiar los subíndices que acompañan a cada elemento debido a que cambiaría la naturaleza de las sustancias que forman parte de la reacción. 12 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Para ilustrar lo expuesto, se analiza a continuación el caso de la formación de agua, el cual se obtiene a partir de la combinación de los elementos H y O. La correspondiente reacción química es: H2 + O 2 H2O En ella se destaca que los reactivos no se encuentran naturalmente como átomos, sino como moléculas biatómicas. Un examen de la ecuación anterior muestra que no está balanceada, porque hay dos átomos de O en los reactivos y solo uno del lado de los productos. Para balancear a O, se introduce un coeficiente 2 como factor del lado del producto y, entonces, queda: H2 + O2 2 H2O De esta manera queda igualado el número de átomos de O, pero ahora no está balanceado el número de átomos de H, ya que hay 4 del lado del producto y 2 del lado de reactivos. Esta situación se resuelve introduciendo un factor 2 sobre el reactivo H2 quedando entonces: 2H2 + O2 2 H2 O Ahora, la ecuación química está completamente ajustada e indica no solamente que H y O forman agua, sino que 2 moléculas de H2 reaccionan con una molécula de O2 para formar dos moléculas de H2O. El ejemplo analizado tiene carácter general en el método y, se fundamenta en el Principio de conservación de la masa: “un sistema cerrado en el que se produce una reacción química, la masa total se mantiene constante”. La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Volver Símbolos y Formulas Los símbolos de los elementos son signos abreviados que usan los científicos y deben entrar a formar parte del vocabulario del estudiante de química. Un símbolo encierra una gran cantidad de Información, identifica un elemento y también puede representar al átomo de un elemento cuando se emplea en la fórmula de un compuesto. La fórmula del metanol es CH4O; esto significa que es un compuesto de carbono, hidrógeno y oxígeno y que la proporción de sus átomos es 1:4: l. La Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 13 Modulo Química proporción de los átomos de hierro y cloro en FeCl3 es 1:3. Los elementos se ubican en la tabla periódica ordenados según su número atómico (número de protones que hay en el núcleo). Fig. 8. Volver Compuestos inorgánicos Te invitamos a interactuar con una tabla periódica interactiva: http://www.ptable.com/# Número de Oxidación El número de oxidación es un número entero que representa el número de electrones de un elemento que participan en la formación de uniones químicas con otro u otros elementos. Este número además, se acompaña por signos (+) y (-), relacionados con las electronegatividades (tendencia que poseen los átomos para atraer los electrones) relativas de los elementos combinados. Principio de electroneutralidad El principio básico de aplicación en el manejo del concepto de número de oxidación es la electroneutralidad de la materia. Es decir que, en cualquier compuesto (iónico o covalente) la suma algebraica de los números de oxidación de todos los elementos combinados es cero. En general, los metales tienen números de oxidación positivos y los no metales tienen número de oxidación negativos cuando están combinados directamente. En los compuestos formados por no metales, al más electronegativo se le asigna el número de oxidación negativo. Para asignar números de oxidación a los elementos, se aplican una serie de reglas: 1. La suma algebraica de los números de oxidación de todos los átomos unidos en un compuesto es cero. 2. El número de oxidación de un elemento no combinado Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 14 Modulo Química es cero. 3. El número de oxidación de un ión (mono ó poliatómico) es igual a su carga. 4. El H en la mayoría de sus combinaciones tiene número de oxidación +1, con excepción de los hidruros metálicos en donde tiene número de oxidación -1. 5. El O en la mayoría de sus combinaciones tiene número de oxidación -2, con excepción de los peróxidos en donde tiene -1. 6. Los metales representativos de los grupos I, II y III, tienen número de oxidación +1, +2 y +3 respectivamente. 7. Los halógenos combinados directamente con metales tienen número de oxidación -1. En los compuestos con otros no metales o entre sí, puede tener +1, +3, +5 ó +7. Actividad 6) Para cada uno de los elementos siguientes, escribe su símbolo químico, localízalo en la tabla periódica, e indica si es un metal, no metal: a- Plata e- Cadmio b- Helio f- Calcio c- Fosforo g- Arsénico d- Bromo h- Plomo 7) Escribe los números de oxidación de los elementos en los siguientes compuestos: HNO2 CrO4K2 Cu2O Cr2O7K2 Cl2O MnO4K Cl2O3H3 IO4Na Br2O5 LiH Na2SO4 Ag2S Formación de Compuestos Metales + hidrógeno → Hidruros Metálicos Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 15 Modulo Química Se escribe primero el metal y luego el hidrógeno. Se nombran como hidruro del metal correspondiente. LiH MgH2 hidruro de litio hidruro de magnesio No metales + hidrógeno → Hidruro no metálico Se escribe primero el hidrógeno y luego el no metal. Se nombra el no metal con la terminación -uro de hidrógeno HF fluoruro de hidrógeno H2S sulfuro de hidrógeno Metales + oxígeno → Óxidos básicos Se escribe primero el metal y luego el oxígeno colocando como subíndice de oxígeno el número de oxidación del metal y para el metal corresponde el número de oxidación del oxígeno. Reducir a su mínima expresión. Este mecanismo se aplica para la formación de cualquier compuesto binario. Na + O2→Na2O óxido de sódio Se nombra como óxido del metal correspondiente. Si el metal tiene más de un número de oxidación se coloca entre paréntesis el número romano correspondiente al estado de oxidación. La nomenclatura vieja coloca la terminación -OSO para el menor estado de oxidación y la terminación -ICO para el mayor estado de oxidación. Hg2O óxido de mercurio (I) - óxido mercurioso HgO óxido de mercurio (II) - óxido mercúrico Oxidos básicos + H2O→ Hidróxidos Se escribe primero el metal y luego el ión hidróxido. 16 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Se nombran como hidróxido del metal correspondiente. Na2O+ H2O → 2 NaOH Hidróxido de sodio (soda caústica) FeO + H2O → Fe(OH)2Hidróxido de hierro (II) - Hidróxido ferroso Son compuestos que al disolverse en agua forman iones, el ión positivo del metal y el ión oxidrilo (OH-), de allí el nombre de hidróxidos (compuestos que ionizan liberando oxhidrilos). NaOH(s) + H2O Na+(ac) + OH-(ac) No metales + oxígeno → Óxidos ácidos Se escriben primero el no metal y luego el oxígeno. Se nombran como óxido del no metal correspondiente. Si el no metal tiene más de un número de oxidación se coloca entre paréntesis el número romano correspondiente al estado de oxidación. Cl2OAnhídrido hipocloroso – Monóxido de dicloro – Oxido de cloro (I) P2O3Anhídrido fosforoso – Trióxido de difósforo - Oxido de fósforo (III) P2O5Anhídridofosforico – Pentóxido de difósforo - Oxido de fósforo (V) Óxidos ácidos + H2O → Ácidos Se escribe primero el hidrógeno seguido del no metal y por último el oxígeno. Se nombran como ácido del óxido correspondiente. SO2+ H2O → H2SO3 ácido sulfuroso SO3+ H2O → H2SO4 ácido sulfúrico Si el número de oxidación del no metal es impar, la molécula del compuesto tendrá un solo átomo de hidrógeno y si es par tendrá dos átomos de hidrógeno. En el caso de los halógenos Cl, Br, I que presentan números de oxidación +1, +3, +5, +7 se obtendrán los siguientes ácidos: Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 17 Modulo Química HClO ácido hipocloroso HClO2 ácido cloroso HClO3 ácido clórico HClO4 ácido perclórico Son compuestos que al disolverse en agua forman iones, el ión positivo del hidrógeno (llamado protón, H+) y el ión negativo del resto de la molécula, de allí el nombre de ácidos (compuestos que ionizan liberando protones). HClO(ac) + H2O H+ (ac) + ClO-(ac) Hidróxidos + ácidos → Sal + H2O Se escribe primero el metal y luego el anión correspondiente al ácido. Se nombra cambiando la terminación del ácido -ico por -ato y -oso por -ito. 2NaOH+ hidróxido de sodio NaOH H2SO4→ Na2SO4+ 2 H2O + ácido sulfúrico + → sulfato de sodio HClO→NaClO + H2O hidróxido de sodio + ácido hipocloroso → hipoclorito de sodio Son compuestos que al disolverse en agua forman iones, el ión positivo del metal y el ión negativo del resto de la molécula, Na2SO4 (s) + H2O 2 Na+ (ac) + SO4-2(ac) Hidrácidos: No metales + hidrogeno → Hidruro no metálico Los hidruros no metálicos al disolverse en agua forman los hidrácidos, los cuales se encuentran ionizados de la siguiente forma: el ión positivo del hidrógeno y el ión negativo del resto de la molécula, de allí el nombre de hidrácidos (compuestos que ionizan liberando protones). HCl(ac) + H2O H+(ac) + Cl-(ac) 18 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Hidrácidos + hidróxidos → Sal + H2O Se escribe primero el metal proveniente del hidróxido y luego el no metal proveniente del hidrácido. Se nombra el no metal con la terminación -uro del metal correspondiente. NaCl cloruro de sodio (sal de mesa) KI ioduro de potasio Son compuestos que al disolverse en agua forman iones, el ión positivo del metal y el ión negativo del halogenuro, KCl (S) + H2O K+(ac) + Cl-(ac) Es interesante notar que, ácidos como el SH2 o el S04H2, tienen más de un H en condiciones de ser reemplazados por iones metálicos o hidróxidos como el Ca(OH)2 o elAl(OH)3 tienen más de un OH. En ocasiones1 pueden reemplazarse todos los H u OH y en ocasiones solamente uno o dos. En este último caso, las sales formadas se denominan ácidas o básicas debido a que todavía existe un H o un OH reemplazable en el ácido o hidróxido original. Por ejemplo: SO4H2 + Acido sulfúrico 2ClH + Acido clorhídrico LiOH LiSO4H Hidróxido de litio 2 Ca(OH)2 Hidróxido de cálcio + H2 O Sulfato ácido de litio 2 Ca(OH)Cl + 2H2O Cloruro básico de calcio 19 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Actividad Ahora te proponemos que realices los siguientes ejercicios. 8) Escribe el nombre de los siguientes compuestos a-H2SO4 b-HI (acuoso) c-Fe(OH)2 d-NO2 e-Sn(OH)2 f-Cl2O3 g-BaO h-HClO i-Fe2O3 j-Cu(OH) 2 9) Escribe la formula química de los compuestos siguientes: a- Oxido de cobre (I) b- Peróxido de potasio c- Hidróxido de aluminio d- Nitrato de zinc e- Bromuro de mercurio (I) f- Carbonato de hierro (III) g- Anhídrido sulfuroso Volver 20 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Estequiometría La estequiometría es la parte de la química que se ocupa de las relaciones cuantitativas entre las sustancias que intervienen en las reacciones químicas. Ya hemos visto que las fórmulas de los compuestos tienen un significado cualitativo y cuantitativo, lo mismo sucede cuando se representan mediante una ecuación química las transformaciones que se producen entre unos compuestos para obtener otros distintos. Además, es importante destacar que las reacciones se deben presentar ajustadas, lo que supone una información acerca de las cantidades que intervienen en ellas, siendo éstas iguales en ambos miembros, aunque los compuestos sean distintos (principio de conservación de la masa). Las ecuaciones químicas representan tanto la relación que se establece entre átomos como entre moles. Una vez establecida la ecuación química de una reacción, se puede seguir un modelo simple para la solución de todos los problemas estequiométricos, que consiste en tres pasos: 1. Convertir la cantidad de sustancia “dato” a moles. 2. Calcular a partir de los moles de la sustancia “dato” los moles de la sustancia “incógnita” 3. Convertir los moles de la sustancia “incógnita” a las unidades de cantidad requeridas. Para poder llevar a cabo estos pasos, vamos a recordar algunos conceptos muy importantes que deben ser tenidos en cuenta. Masa Atómica La masa atómica (también conocida como peso atómico) es la masa de un átomo en unidades de masa atómica (uma). Una unidad de masa atómica se define como la masa exactamente igual a la doceava parte de la masa del isótopo más abundante del átomo de carbono (12 C). En química, interesa conocer únicamente el peso atómico medio de los átomos que refleja la abundancia relativa de los distintos isótopos. Por ejemplo, en el caso del carbono, una muestra natural tomada al azar contiene 98,892 % de 12 C 1,108 % de 13 C. La masa media experimental se llama peso atómico relativo, o simplemente Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 21 Modulo Química peso atómico. Átomo-gramo y número de Avogadro El átomo gramo de un elemento es la cantidad de gramos de ese elemento numéricamente igual a su peso atómico. Se representa por At-g Un átomo-gramo de cualquier elemento contiene 6,023 x 1023 átomos de ese elemento. En la actualidad se usa un término equivalente al at-gr, el mol, que es la unidad básica de cantidad de sustancia en el sistema internacional, SI. El número 6,023 x 1023 , que representa la cantidad de unidades que hay en un mol de sustancia , se llama número de Avogadro, y se le designa por el símbolo N. Ejemplo: ¿Cuántos átomos de Azufre hay en una muestra de 10 gr de este elemento? Dato: Peso atómico del azufre: 32 Solución: Un átomo de azufre pesa 32 uma, por lo tanto un átomo-gramo de azufre pesa 32 gr., luego 10 gr. de S son: 32 gr S ----------- 1 mol de átomos S 10 gr S ----------- x = 0,312 moles de átomos de S Como 1 mol de átomos de azufre tiene 6,02x 1023 átomos de S, 0,312 mol de átomos de S contiene: 1 mol átomos S ---------- 6,02x 1023 átomos de S 0,312 átomos S---------- x = 1,88 x 1023 átomos de S Elementos 23 1at-g ≡ 1 peso atômico g ≡ 1 mol de átomos ≡ 6.02x10 atomos 22 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química Actividad Antes de seguir avanzando te proponemos que respondas lo siguiente: 10) ¿Cuántos átomos hay en 5,10 moles de azufre? 11) ¿Cuántos moles de átomos de cobalto hay en 6x109 átomos de Co? 12) ¿Cuántos moles de átomos de calcio hay en 77,4 g de Ca? 13) ¿Cuántos átomos de oro hay en 15,3 moles de Au? Mol y peso molecular Se ha definido el mol como 6,02x 1023 unidades fundamentales. En cualquier situación, el mol representa este número fijo, así como una docena es siempre 12. Sin embargo, el peso de un mol depende del peso de las entidades individuales que se estén considerando. En este sentido se habla de un mol de átomos de H, de un mol de moléculas de H2 , o de un mol de iones H+ cuando se trata de 6,02x 1023 unidades de las sustancias citadas. Ejemplos: • un mol de átomos de H contiene 6,02x 1023 átomos de H, su peso es de 1,008 g • un mol de átomos de O contiene 6,02x 1023 átomos de O, su peso es de 16,00 g • un mol de átomos de Cu contiene 6,02x 1023 átomos de Cu, su peso es de 63,54 g El peso de un mol de moléculas también se puede obtener de los pesos atómicos. Así, un mol de moléculas de CO contiene un mol de átomos de C y un mol de átomos de O. El peso de un mol de CO será: Peso de 1 mol de C + peso de 1 mol de O = peso de 1 mol de CO 12,01 g+16 g= 28,01 g La molécula-gramo de un compuesto es la cantidad de gramos Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 23 Modulo Química de ese compuesto numéricamente igual a su peso molecular. Compuestos 1 molécula-g ≡ 1 peso molecular g ≡ 1 mol de moléculas≡ 6.02x10 23 moléculas Actividad Ahora te proponemos lo siguiente: 14) Calcula la masa molecular (en u.m.a.) de cada una de las siguientes sustancias: CH4, NO2, SO3, C6H6, NaI. 15) Calcula la masa molar de un compuesto si 0,372 moles de este tienen una masa de 152 g. 16) Calcula el número de átomos de C, H y O en 1,50 g de glucosa (C6H12O6) Volver Actividad de lecto-escritura El texto que sigue es un extracto adaptado de “Química. La Ciencia Central”, de Brown, LeMay, Bursten and Burdge. Pag. 920. Novena edición. Editorial Impresora Apolo. Mexico DF. Año 2004. Disponible en la Biblioteca Central Juan Filloy de la UNRC para su consulta. Presencia de los metales y su distribución en la naturaleza La parte de nuestro ambiente que constituye el suelo bajo nuestros pies se llama litósfera. La litósfera aporta todos los materiales que usamos como alimento, vestido, abrigo y entretenimiento. Aunque en su mayor parte la Tierra es sólida sólo tenemos Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 24 Modulo Química acceso a una pequeña región próxima a la superficie. En tanto que el radio de la tierra es de 6370 km, la mina más profunda no penetra más allá de 4 km. Muchos de los metales de mayor utilidad para nosotros no son particularmente abundantes en esa parte de la litósfera a la que tenemos acceso con facilidad. En consecuencia la presencia natural y la distribución de depósitos concentrados de estos elementos suelen jugar un papel en la política internacional en la medida en que los países compiten por el acceso a estos materiales. Los depósitos que contienen metales en cantidades susceptibles de explotación económica se conocen como menas. Por lo regular es preciso separar los compuestos o elementos deseados de una gran cantidad de material indeseable, para después tratarlos químicamente de modo que se puedan utilizar. Cada año se extraen alrededor de 23 toneladas de materiales de la litósfera para sostener a cada habitante de un país como Estados Unidos. Debido a que se están agotando las fuentes más ricas de muchas sustancias, en el futuro probablemente será necesario tratar volúmenes mayores de materia prima de menor calidad. Por consiguiente, la extracción de los compuestos y elementos que necesitamos podría costar más en términos de energía como de repercusiones ambientales. Minerales A excepción del Au, Ru, Rh, Pd, Os, Ir y Pt, casi todos los elementos metálicos se encuentran en la naturaleza formando compuestos inorgánicos sólidos llamados minerales. La tabla 1 muestra una lista de las principales fuentes de minerales de varios metales comunes. Adviértase que los minerales se identifican con nombres comunes en lugar de nombres químicos. Los minerales por lo general se nombran según el lugar donde fueron descubiertos, la persona que los descubrió o alguna característica como el color. Por ejemplo malaquita proviene de la palabra griega malache, que es el nombre de un tipo de árbol cuyas hojas son del color del mineral. 25 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química TABLA 1 – Principales fuentes minerales de algunos metales comunes. Metal Simbolo Mineral Composición Nombre Químico Aluminio Bauxita Al2O3 Cobre Calcocita Cu2S Estaño Casiterita SnO2 Hierro Hematita Fe2O3 Manganeso Pirolusita MnO2 Mercurio Cinabrio HgS Molibdeno Molibdenita MoS2 Plomo Galena PbS Titanio Rutilo TiO2 Pirometalurgia La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. El proceso consta de varias etapas desde la extracción del mineral hasta la purificación del metal. Un gran número de procesos metalúrgicos utiliza temperaturas elevadas para modificar el mineral químicamente y reducirlo a metal libre. El uso del calor para modificar el mineral se llama pirometalurgia. (piro significa “alta temperatura”). La calcinación es el calentamiento de un mineral para provocar su descomposición y la eliminación del producto volátil como dióxido de carbono o agua. Los carbonatos se suelen calcinar para expulsar dióxido de carbono y formar el óxido del metal. Por ejemplo: PbCO3(s) calor PbO(s) + CO2(g) Ec (1) Casi todos los carbonatos se descomponen con razonable rapidez a temperaturas de alrededor de 500oC, aunque el carbonato de calcio requiere una temperatura de 1000oC. Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales 26 Modulo Química La tostación es un tratamiento térmico que favorece las reacciones químicas entre el mineral y la atmósfera del horno. Este tratamiento puede dar lugar a la oxidación o la reducción o ir acompañado de calcinación. Un importante proceso de tostación es la oxidación de sulfuros en presencia de aire, en la que el metal se transforma en el óxido como en los ejemplos que siguen: ZnS(s) + O2(g) + calor MoS2 + ................ ZnO (s) + SO2(g) Ec (2) MoO3(s) + ............. Ec (3) En muchos casos se puede obtener el metal libre empleando una atmósfera reductora durante la tostación. El monóxido de carbono crea una atmósfera de este tipo y su uso es frecuente para tratar algunos óxidos metálicos, por ejemplo: El óxido plumboso sólido con monóxido de carbono gaseoso reaccionan a altas temperaturas para dar plomo metálico libre líquido y dióxido de carbono gaseoso. Actividad Te proponemos realizar lo siguiente: 1) Lee detenidamente el texto antes citado, hasta el final. 2) Escribe el nombre de los metales representados por sus símbolos químicos en el primer párrafo del texto. 3) Completa la tabla 1 incluida en el texto citado. 4) Escribe la fórmula química de los compuestos indicados con negritas a lo largo de todo el texto. 5) Analiza las Ecuaciones químicas (1) y (2), verifica si se cumple la ley de conservación de la masa. Si no es así, llevar a cabo las correcciones correspondientes. 6) Analiza las reacciones químicas representadas por la Ec(2) y completar, a partir de ella la Ec (3). Ajustar la ecuación de modo que cumpla con la ley de conservación de la masa. 7) Nombra todos los compuestos representados en las Ec. 27 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales Modulo Química (1), (2) y (3) 8) Con respecto al primer tramo del texto, a. Investiga sobre al menos dos compuestos o elementos metálicos de interés práctico o tecnológico que explique por qué los países compiten por el acceso a estos materiales. b. Elabora una reflexión sobre los costos energéticos y ambientales relacionados con la obtención de estos compuestos y vincularlo con su utilidad, su destino y de qué modo se podrían minimizar los daños. Volver 28 Facultad de Ciencias Exactas, Físico-Químicas y Naturales
