MODULO QUIMICA CICLO IV GRADO NOVENO

1
I.E.
CÁRDENAS CENTRO
MÓDULO DE QUÍMICA
CICLO IV
GRADO NOVENO
2
TABLA DE CONTENIDO
pág.
1.
1.1.
CONCEPTO DE MOL
RELACIÓN ENTRE EL CONCEPTO DE MOL Y PESO ATÓMICO O PESO MOLECULAR
4
4
2.
2.1.
6
2.1.1.
2.1.2.
2.1.3.
2.1.4.
ESTEQUIOMETRÍA
RELACIONES CUANTITATIVAS ENTRE LOS REACCIONANTES Y PRODUCTOS EN
UNA REACCIÓN QUÍMICA
RELACIONES MOL-MOL
RELACIONES MOL-GRAMOS
RELACIÓN GRAMOS-GRAMOS
CÁLCULOS CON VOLUMEN
6
7
8
9
10
3.
3.1.1.
3.1.2.
SOLUCIONES
CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONES
Unidades químicas de concentración
12
14
15
4.
4.1.
ACIDEZ
INFLUENCIA DEL PH EN LOS SERES VIVOS
15
17
EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS
19
5.
5.1.
21
21
SISTEMAS TERMODINÁMICOS
VARIABLES DE ESTADO
EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS
22
BIBLIOGRAFÍA
25
3
1. CONCEPTO DE MOL
hipótesis y
prácticas.
Antes de que Lavoisier utilizara la balanza como
instrumento de investigación fundamental, la
química se consideraba como un saber empírico
y especulativo. Hoy en día, la química se
considera como la ciencia que nos proporciona
información sobre los elementos que forman una
sustancia, los productos que resultan de una
reacción, los efectos que tiene la variación de la
presión y la temperatura en un gas, o qué ocurre
cuando una sal se disuelve en agua. Pero como
en cualquier otra ciencia, deben llevarse a cabo
mediciones precisas de las magnitudes que
caracterizan los fenómenos que estudia, ya que
de estas mediciones dependen la verificación de
la
posibilidad
de
aplicaciones
Así como expresamos la medida de la masa de
una sustancia en gramos, o la capacidad de un
recipiente en litros, en química utilizamos el mol
para medir la cantidad de productos o de
reactivos que participan en una reacción
química. A partir de esta unidad, podremos
averiguar la cantidad de átomos o de moléculas
presentes en una determinada masa de
sustancia y relacionarlos, a la vez, con su
fórmula química.
1.1. RELACIÓN ENTRE EL CONCEPTO DE MOL Y PESO ATÓMICO O PESO MOLECULAR
En química, para determinar un número grande de partículas muy pequeñas que conforman una
sustancia química, fue necesario definir un nuevo término denominado mol (unidad fundamental de
cantidad de materia), que se utiliza para contar partículas muy pequeñas, como átomos, moléculas, iones
y electrones, en una muestra, y equivale a su masa atómica o a su masa molecular. Un mol tiene 6,022 x
1023 unidades, lo cual se conoce como el número de Avogadro en honor al físico italiano Amadeo
Avogadro.
Todos los elementos contienen, en un mol, el mismo número de átomos. Ejemplos:
Un mol de sodio
contiene
6,0
22
x 10
23
átomos de sodio
4
Un mol de carbono
Un mol de hierro
contiene
contiene
22
23
6,0 x 10 átomos de carbono
22
23
6,0 x 10 átomos de hierro
Todos los compuestos contienen, en un mol, el mismo número de molécu
moléculas
las y de iones. Ejemplos:
23
Un mol de amoníaco (NH3)
contiene
6,022 x 10 moléculas de NH3
Un mol de cloruro de sodio (NaCl)
contiene
6,022 x 1023 iones de Na+1 y de CH
Medimos las cantidades en moles, en las
operaciones que realizamos en química; por
ello, el concepto de mol es fundamental, ya que
se emplea en la mayoría de cálculos químicos.
bien sencilla: la masa de un mol de un elemento
se denomina mol-átomo
átomo y corresponde a la
cantidad de elemento cuya masa en gramos es
numéricamente igual a su masa atómica. Por
ejemplo, el hierro (Fe) tiene una masa atómica
de 55,84 urna que corresponden a 6,022 x 1023
átomos de hierro.
El problema para medir moles reside en su
propio concepto: no podemos determinar un mol
de una sustancia a base de contar átomos, por
la magnitud tan grande del número de Avogadro
y el hecho de que es imposible "coger" un
átomo. Por eso, en el laboratorio, para realizar
cálculos necesitamos encontrar una relación
entre el mol y otra magnitud más fácil de medir:
la masa. Así, podemos med
medir la masa
equivalente a los moles de una determinada
sustancia, usando una balanza; esta relación es
La masa de un mol de cualquier compuesto se
denomina mol-molécula
molécula y corresponde a la
masa molecular del compuesto expresada
expresad en
gramos. Por ejemplo, el gas carbónico (CO2)
tiene una masa molecular de 44 g que
corresponden a 6,022 X1023 moléculas de gas
carbónico.
5
EJERCICIOS
Aplica tus conocimientos
Comprueba que las masas moleculares de los siguientes compuestos sí corresponden al valor dado.
a. Ácido fosfórico: 98,0 g.
b. Ozono: 48,0 g.
c. Bromo: 159,8 g.
d. Ácido hipocloroso: 52,5 g.
e. Sulfato de aluminio: 342 g
2. ESTEQUIOMETRÍA
Es la parte de la química que tiene por objeto
calcular las cantidades en masa y volumen de
las sustancias reaccionantes y los productos de
una reacción química. Se deriva del griego
“Stoicheion” que significa elemento y “Metrón”
que significa medir. Entre la estequiometria
vamos a encontrar lo siguiente: Composición
porcentual y molar, Nomenclatura, Leyes
químicas, Reacciones químicas, Balanceo de
ecuaciones.
reacciones
hipotética;
A+B
químicas.
Para
una
reacción
C+D
Hace referencia al número relativo de átomos de
varios elementos encontrados en una sustancia
química y a menudo resulta útil en la calificación
de una reacción química, en otras palabras
se puede definir como: "la parte de la Química
que trata sobre las relaciones cuantitativas entre
los elementos y los compuestos en reacciones
químicas".
La estequiometría se refiere a las cantidades de
reaccionantes y productos comprendidos en las
2.1. RELACIONES CUANTITATIVAS ENTRE LOS REACCIONANTES Y PRODUCTOS EN UNA
REACCIÓN QUÍMICA
Estas relaciones pueden ser.
mol-mol
mol-gramos
gramos-gramos
mol-volumen
volumen-gramos
volumen-volumen
La parte central de un problema estequiométrico es el FACTOR MOLAR cuya fórmula se muestra a
continuación.
 MOLES DE LA SUSTANCIA DESEADA 
factor molar = 

 MOLES DE LA SUSTANCIA DE PARTIDA 
Los datos para el factor molar se obtienen de los COEFICIENTES DE LA ECUACIÓN BALANCEADA.
6
Para diferenciar el factor molar de los factores de conversión, se utilizan [corchetes] para indicar el factor
molar y (paréntesis) para los factores de conversión.
2.1.1. RELACIONES MOL-MOL
Para la siguiente ecuación balanceada:
¿Cuántas moles de O2 reaccionan con 3.17 moles de Al?
PASO 1
BALANCEAR LA ECUACIÓN
Como en el problema propuesto la ecuación está ya balanceada, este paso se omite.
PASO 2
Identificar la sustancia deseada y la sustancia de partida.
La sustancia deseada es aquélla sobre la cual se pregunta un dato, y la de partida, es de la que nos dan
el dato. Junto a la sustancia deseada se pone lo que me piden: moles, gramos o litros y junto a la de
partida el dato. Para el problema propuesto:
SUSTANCIA DESEADA: O2 ? moles
SUSTANCIA DE PARTIDA: Al 3.17 moles
PASO 3
Convertir la sustancia de partida a moles.
Si el dato, como en este problema, es en moles, omitimos este paso.
PASO 4
Aplicar el factor molar
3.17 moles Al
[
3 moles de O2 4
moles de Al
]
= 2.38 moles de O2
3.17 x 3 4
La operación realizada fue
7
PASO 5
Convertir el dato a la unidad requerida.
Como en este caso lo que me piden son moles de oxígeno el resultado final es 2.38 moles de O2.
RESUELVE…
A partir de 8.25 moles de O2, ¿cuántas moles de Al2O3 (óxido de aluminio) se producen?
2.1.2. RELACIONES MOL-GRAMOS
La siguiente ecuación muestra una reacción de combustión y está balanceada:
¿Cuántos gramos de C8H18 (octano) son necesarios para obtener 5.70 moles de CO2 (bióxido de
carbono)?
PASO 1: La ecuación ya está balanceada.
PASO 2:
SUSTANCIA DESEADA: C8H18 ? gramos
SUSTANCIA DE PARTIDA: CO2 5.70 moles
PASO 3: El dato está ya en moles
PASO 4:
 2 moles C8H18 16 
5.70 mol co2 
 = 0.713 moles C8H18
moles CO2


PASO 5:
El problema pide gramos de C8H18 y nosotros tenemos moles, entonces usamos un factor de conversión
utilizando la masa molecular del C8H18.
C 8 x12.01 =
H 18 x 1.01 =
96.08 18.18
+114.26 g
 114.26g 
0.713 moles C8H18 
 = 81.47 g de C8 H18
 1 mol 
8
RESUELVE…
Si se obtienen 55.0 g de vapor de agua, ¿cuántas moles de O2 se utilizaron?
2.1.3. RELACIÓN GRAMOS-GRAMOS
¿Cuántos gramos de HNO3 son necesarios para obtener 100 g de Zn(NO3)2 en base a la siguiente
ecuación balanceada?
4 Zn (s) + 10 HNO3 (ac) 4 Zn(NO3)2 (ac) + N2O (g) + 5 H2O (l)
PASO 1: La ecuación ya está balanceada.
PASO 2:
SUSTANCIA DESEADA: HNO3 ? gramos
SUSTANCIA DE PARTIDA: Zn(NO3)2 100.0 gramos
PASO 3: El dato está en gramos, por lo tanto tenemos que realizar una conversión a moles con la masa
molar del Zn(NO3)2.
Zn(NO3)2
Zn 1 x 65.39 =
65.39
N 2 x 14.01 =
28.02
O 6 x 16 =
96 +
189.41
 1 mol 
100.0 g Zn(NO3 )2 
 = 0.530 molZn ( NO3 )2
 189.41g 
PASO 4:
 10 mol HNO3 
0.530 molZn ( NO3 )2 
 = 1.33 mol HNO3
 4 mol Zn(NO3 )2 
PASO 5:
El problema pide gramos de HNO3, y nosotros tenemos moles. Utilizamos un factor de conversión con la
masa molar de HNO3.
9
HNO3,
1.01
H 1 x 1.01 =
N 1 x 14.01 =
14.01
O 3 x 16.00 =
48.00 +
63.02 g
 63.02g 
1.33 mol HNO3 
 = 83.82g HNO3
 1mol 
2.1.4. CÁLCULOS CON VOLUMEN
Para realizar cálculos estequiométricos con volumen, es necesario cumplir con tres requisitos:
1) Que la sustancia intervenga en la reacción en estado gaseoso.
2) Que la reacción se lleve a cabo en condiciones normales de temperatura y presión (T = 0°C = 273°K, P
= 1 atm).
3) Utilizar el volumen molar de un gas, cuyo valor es 22.4 L/mol.
Volumen molar de un gas.- Es el volumen que ocupa una mol de un gas a condiciones normales de
temperatura y presión.
Este dato del volumen molar nos permite establecer el factor de conversión de litros a moles.
1 MOL = 22.4 Litros
La siguiente ecuación balanceada, muestra la reacción de combustión del etano.
2 C2H6 (g) + 7 2 (g)
4 CO2 (g) + 6 H2O (g)
Calcule:
a) ¿Cuántos litros de oxígeno reaccionan con 3.17 moles de C2H6 (etano)?
PASO 1 : La ecuación se muestra ya balanceada.
PASO 2 :
10
SUSTANCIA DESEADA: O2 litros
SUSTANCIA DE PARTIDA: C2H6 3.17 moles
PASO 3: El dato de la sustancia de partida ya está en moles.
PASO 4: Aplicar el factor molar.
 7 moles de O2 
3.27 moles C2H6 
 = 11.45 moles de O2
 2 moles de C2H6 
PASO 5: El problema pide litros de oxígeno, por tanto aplicamos el volumen molar para establecer el
factor de conversión.
 22.4L 
11.45 moles de O2 
 = 256.48 L O2
 1mol 
RESUELVE…
¿Cuántas moles de CO2 (bióxido de carbono) se producen si se obtiene 13. 5 litros de vapor de agua?
PARA RECORDAR
Ideas
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Los elementos san las sustancias más sencillas que existen en la naturaleza.
Los compuestos se forman por la unión de dos o más elementos.
Los elementos químicos se unen entre sí para lograr su estabilidad completando ocho electrones
en su último nivel de valencia.
Los enlaces químicos son las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos.
Las estructuras de Lewis muestran el tipo de enlace que se forma entre los átomos.
Los enlaces químicos se forman por transferencia de electrones.
En los enlaces iónicos se forman los cationes por pérdida de electrones, y los aniones, por
ganancia de electrones.
Los hidróxidos se forman por la combinación de un óxido básico con agua.
Los ácidos oxácidos se forman al reaccionar un óxido ácido con el agua.
Los ácidos hidrácidos se obtienen al reaccionar el hidrógeno y algunos elementos no metales de
los grupos 16 y 17.
La acción de los ácidos en algunos materiales ocasiona la corrosión.
Las sales se obtienen mediante la combinación de un ácido con una base.
11
3. SOLUCIONES
Soluciones sólidas
Como recordarás, la materia puede existir en
forma de elementos, compuestos y mezclas. Los
elementos son las sustancias más sencillas que
existen en la naturaleza, por ejemplo, el oro, el
oxígeno y el calcio, entre otros. Los compuestos
son sustancias que se forman mediante la unión
de dos o más elementos de diferente clase,
como el agua, la glucosa y la sal. Las mezclas
se forman por la unión de dos o más sustancias
que se hallan en proporciones variables. Sus
componentes conservan sus propiedades físicas
y químicas, lo que permite que se puedan
separar mediante métodos físicos como
evaporación,
cristalización,
destilación,
cromatografía,
filtración,
centrifugación
o
decantación, entre otros.
Las soluciones sólidas están formadas por
sólidos en los cuales un componente está
disperso al azar en otro componente. Estas
soluciones son de gran importancia en la
industria, las aleaciones pertenecen a estas
soluciones. Por ejemplo, el bronce está
constituido por cobre y estaño, el latón está
formado por cobre y zinc, y el acero está
formado por hierro y carbono.
Soluciones líquidas
Las soluciones líquidas se pueden obtener al
disolver una sustancia sólida, líquida o gaseosa
en un líquido. Las partículas del soluto se
encuentran distribuidas al azar en toda la
solución, por ejemplo, una mezcla de agua y
alcohol.
Las mezclas pueden ser homogéneas o
heterogéneas. Las mezclas heterogéneas son
aquellas en las que algunos de sus
componentes se pueden diferenciar a simple
vista y presentan dos o más fases. Por ejemplo,
en el agua con aceite se observan dos fases,
ambas líquidas y, al mezclar arena con agua, se
evidencian dos fases, una en estado líquido y
otra en estado sólido. Las mezclas homogéneas
son aquellas que forman una sola fase, su
aspecto es uniforme, de manera que sus
componentes no se pueden diferenciar. Por
ejemplo, al disolver una cucharadita de azúcar
en un vaso de agua, se observa una sola fase
en estado líquido, o, al preparar un café con
leche, se identifica una sola fase líquida. A las
mezclas homogéneas se les denomina
soluciones.
Soluciones gaseosas
En las soluciones gaseosas los gases se
mezclan en todas las proporciones, formando
siempre mezclas homogéneas. Por ejemplo, una
mezcla de oxígeno y nitrógeno.
Cuando un líquido se disuelve en otro y forman
una solución, se dice que son solubles o
miscibles. Pero, si al mezclarse se forma más de
una fase, se dice que son insolubles o
inmiscibles. Por ejemplo, el alcohol es miscible o
soluble en agua y el aceite es inmiscible o
insoluble en agua.
La naturaleza del soluto y del solvente
Una
solución
está
formada
por
dos
componentes: el soluto y el solvente. El soluto
es la sustancia que se disuelve y se encuentra
distribuida uniformemente en el solvente. El
solvente es la sustancia que disuelve y
generalmente está en mayor proporción. Por
ejemplo, cuando disuelves un poco de sal en
agua, la sal es el soluto y el agua es el solvente
o disolvente. Las soluciones en las cuales el
solvente es agua se denominan acuosas.
Existen varias clases de soluciones: sólidas,
líquidas y gaseosas.
Para que un soluto se disuelva debe presentar
propiedades similares al solvente. Es decir, la
solubilidad aumenta si las moléculas que entran
en contacto tienen propiedades eléctricas y
estructurales semejantes. Por esta razón, el
agua, que es una molécula polar, disuelve a
cientos de sustancias polares, como las sales
inorgánicas; y no disuelve a sustancias no
polares, como los aceites y las grasas. Los
solutos no polares forman soluciones con
solventes no polares, como el éter, el cloroformo
y el tetracloruro de carbono.
12
En las soluciones de líquidos o de sólidos
disueltos en líquidos debe haber atracción entre
el soluto y el solvente para que se forme una
solución. Si no hay atracción entre el soluto y el
solvente, las partículas de soluto permanecen
unidas y no se mezclan con las del solvente.
pueden escapar de la solución cuando alcanzan
la superficie del líquido en un recipiente abierto.
La presión
La presión influye especialmente en la
solubilidad de las sustancias gaseosas en los
líquidos. Al aumentar la presión, aumenta la
solubilidad de los gases en los solventes. La
presión poco efecto tiene en la solubilidad de los
líquidos y los sólidos, ya que son sustancias que
se comprimen muy poco.
La temperatura
Generalmente al aumentar la temperatura
aumenta la solubilidad. Esto ocurre porque la
temperatura incrementa el movimiento de las
partículas, ya sean moléculas o iones. Por
ejemplo, si agregas azúcar a un vaso de agua
caliente, ésta se disolverá más rápido que
enagua fría.
El tamaño de las partículas
Esta propiedad se refiere al estado de
subdivisión de las partículas que conforman el
soluto, es decir, a su tamaño. Tiene una gran
influencia en las soluciones formadas por
sustancias sólidas disueltas en líquidos. Entre
más pequeñas sean las partículas del sólido,
habrá mayor superficie de contacto entre las
moléculas de soluto y de solvente, lo cual facilita
el proceso de disolución.
Sin embargo, la solubilidad de un gas en un
líquido y de un gas en sólido, disminuye al
aumentar la temperatura. Esto se debe a que, al
aumentar
la
temperatura,
aumenta
el
movimiento de las partículas de soluto y de
solvente. Por tanto, las moléculas gaseosas
Las moléculas polares del agua atraen los iones Na+y Cl- , los iones se desprenden del
soluto y pasan a la solución en donde se hidratan.
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3.1. CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONES
Para establecer la relación cuantitativa entre los
componentes de una solución se utilizan las
unidades físicas y las unidades químicas de
concentración. La concentración es una medida
de la cantidad de soluto presente en una cierta
cantidad de solución.
Como ya sabes, una solución está formada por
un soluto y un solvente. En ocasiones podemos
tener soluciones donde la cantidad de soluto es
pequeña. Éstas se denominan diluidas. En otras
soluciones, la cantidad de soluto es
relativamente
alta
y
se
denominan
concentradas. Si la solución contiene la cantidad
máxima que el soluto puede disolver a una
temperatura dada, se llama saturada. Si la
solución contiene más soluto que la cantidad
máxima a una temperatura dada, se denomina
sobresaturada; y si la cantidad de soluto es
menor que la máxima que el solvente puede
disolver, se llama insaturada.
•
Porcentaje en masa (% m/m): relaciona los gramos de soluto presentes en 100 gramos de
solución. Su expresión matemática es:
%
•
3.1.1. Unidades físicas de concentración. El
valor de éstas no depende de la naturaleza de
las sustancias que forman la solución. Se
expresan en términos de unidades de volumen o
unidades de masa.
m masa de soluto x 100
=
m
masa de solucion
Porcentaje en volumen (% v/v): relaciona el volumen de soluto por cada 100 ml de solución. Su
expresión matemática es:
v volumen de soluto x 100
% =
v
volumen de solucion
•
Porcentaje masa-volumen (% m/v): se refiere a la masa de soluto por cada 100 unidades de
volumen de solución. Su expresión matemática es:
%
•
m masa de soluto x 100
=
v volumen de solucion
Partes por millón (ppm): su expresión matemática es:
ppm=
miligramos de soluto
litro de solucion
14
3.1.2. Unidades químicas de concentración. Para expresar de otra manera la concentración de las
soluciones se utilizan las unidades químicas. Estas unidades dependen de la clase de sustancias que
forman la solución.
•
•
•
Molaridad o concentración molar (M):
M=
numero de moles de soluto
litro de solución
m=
número de moles de soluto
kilogramo de solvente
Molalidad (m):
Normalidad (N):
N=
número de pesos equivalentes gramo de soluto
litro de solución
se abrevia así:
N=
número de eq-g gramo de soluto
litro de solución
Fracción molar (X): indica la relación entre el número de moles de un componente de la solución, con el
número de moles totales de la solución. La fracción molar de la sustancia A, soluto en la solución, se
define como el número de moles de la sustancia A, dividido entre el número de moles totales de la
solución (moles de soluto + moles de solvente).
XA =
número de moles A
número de moles totales de la solución
4. ACIDEZ
En nuestra vida diaria utilizamos cientos de
sustancias que se pueden clasificar de acuerdo
con su grado de acidez en acidas, básicas o
neutras. Estas sustancias tienen la propiedad de
cambiar el color de otras sustancias llamadas
indicadores. Por ejemplo, la fenolftaleína se
torna fucsia al reaccionar con los hidróxidos y
permanece incolora con los ácidos. El papel
tornasol rojo vira a azul y el papel tornasol azul
vira a rojo con los ácidos.
Los ácidos y las bases presentan propiedades
químicas diferentes. Existen algunas teorías que
explican el proceso por el cual las reacciones
ácido-base se llevan a cabo.
15
Teoría de Svante Arrhenius
Esta teoría plantea que un ácido es un compuesto que, al ser disuelto en agua, aumenta
aum
la concentración
+
de hidrogeniones, H ; y una base es un compuesto que, al ser disuelto en agua, incrementa la
concentración de iones hidroxilo, OH .
Los indicadores de pH son sustancias orgánicas que cambian de color al contacto con sustancias acidas,
básicas o neutras. Consulta cómo se elaboran los indicadores de pH a partir de vegetales.
Teoría de Bronsted-Lowry
La teoría de Bronsted-Lowry
Lowry plantea que un ácido es una sustancia que cede protones, H+, originando
una base
se conjugada; y una base es una sustancia que acepta estos protones, originando un ácido
conjugado. Por ejemplo:
HC1 + H 2 O →
H 3O +
+
Cl-
ácido + base → ácido conjugado + base
ba conjugada
Teoría de Lewis
Gilbert Lewis estableció que un ácido es aquella sustancia que acepta pares de electrones, y una base es
la sustancia que cede pares de electrones. Por ejemplo:
Las teorías anteriores explican el proceso por el
cual las reacciones ácido-base
base se llevan a cabo.
Es importante tener en cuenta que, en una
+
solución acida acuosa,
a, la concentración de H
1es mayor que la concentración de OH ; en una
solución básica acuosa, la concentración de
1+
OH es mayor que la concentración de H , y en
una solución neutra, estas concentraciones son
iguales.
Para medir la acidez, el bioquímico Sören
Sörensen inventó la escala de pH (potencial de
hidrogeniones). Esta escala está entre los
valores de 0 a 14. Las sustancias que presentan
un pH entre 0 y 6,4 son acidas, como los cítricos
y los jugos gástricos. Aquellas que tienen un pH
entre 7,4 y 14
4 son básicas, como los
detergentes y la leche de magnesia. Las que
presentan un pH entre 6,5 y 7,3 son neutras,
como el agua y la sangre humana.
16
La expresión matemática para determinar el pH
de una sustancia, teniendo en cuenta la
+
concentración de iones H , es:
Por ejemplo, para una sustancia cuya
+
-5
concentración de H es de 1 x 10 M, su pH es:
pH = − log 1 x 10-5 
pH = 5
1
pH = log
 H + 
o pH = − log  H + 
4.1. INFLUENCIA DEL PH EN LOS SERES VIVOS
carbónico, CO2. El pH cambia a medida que
aumenta la profundidad, hasta estabilizarse en
un valor aproximado de 8,5.
El agua de mar es uno de los principales
sistemas homogéneos que encontramos en la
naturaleza. En él se desarrollan cientos de
especies animales y vegetales, y en sus
profundidades existe la posibilidad de que se
encuentren seres vivos que el ser humano
todavía no ha descubierto. En su composición
hay una gran cantidad de sólidos y gases, por lo
que se podría afirmar que los elementos
químicos presentes en la tierra, están presentes
en los mares. La proporción en la cual existe
cada uno de ellos es diferente y depende de la
zona donde esté ubicado este sistema.
La actividad biológica de las especies marinas
se ve influida por el pH. Simultáneamente, el pH
se afecta por la fotosíntesis y el proceso de
respiración de los seres vivos que se desarrollan
en los mares. El pH condiciona numerosas
reacciones químicas que solubilizan o precipitan
las sales, que en definitiva son los compuestos,
que mantienen los ecosistemas marinos.
Además, el pH influye en las migraciones de las
especies,
factor
determinante
en
las
características de los medios marinos.
Algunos elementos son de difícil cuantificación,
ya que sus porcentajes son extremadamente
bajos. Por ejemplo, para obtener 1 g de radio,
Ra, se necesitan 5000 litros de agua de mar.
Otros elementos requieren de técnicas analíticas
muy finas. Sin embargo, en los animales la
presencia de otros elementos es cuantificable,
como el caso del cobre que se necesita para la
formación de hemocianina en los moluscos y
otros crustáceos.
Así como el pH influye en la vida marina, influye
también en la vida terrestre. Por esta razón, es
importante conocer las características del suelo
o del terreno antes de sembrar vegetales, pues
las plantas necesitan suelos con diferentes
grados de acidez. Algunas requieren de
pequeñas variaciones de pH y otras necesitan
suelos básicos para su crecimiento normal. El
pH del suelo afecta principalmente la
disponibilidad de nutrientes, como fósforo,
potasio, hierro, cobre y boro, entre otros, que las
plantas deben tomar. El pH de la mayor parte de
los suelos varía entre 4 y 8, pero varios se salen
de este rango. En algunos bosques varía entre
2,8 y 3,9, es decir, es muy ácido, pero en suelos
salinos es mayor a 8,5. El rango óptimo del pH
de un suelo para un adecuado crecimiento de la
mayor parte de las plantas es de 6,0 a 7,0. La
mayoría de las sustancias nutritivas de las
plantas están disponibles en este intervalo.
En cuanto a la acidez, los valores de pH del
agua de mar oscilan entre 7,1 y 8,3, por lo que
se puede afirmar que el mar es ligeramente
alcalino. También se ha establecido que, en
ocasiones, el rango depH está entre 8,1 y 8,3,
ya que la salinidad, la fotosíntesis, la
concentración de dióxido de carbono y la
temperatura pueden influir.
El pH varía de acuerdo con la profundidad. A los
50 m los valores de pH oscilan entre 7,1 y 7,3,
ya que hay baja concentración de oxígeno
gaseoso, O2, y elevada concentración de gas
17
Los mares y los océanos están entre los principales sistemas homogéneos de la naturaleza.
Ideas
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Los componentes de una solución son soluto y solvente. El soluto es la sustancia que se
disuelve, y el solvente es la sustancia que disuelve al soluto.
La solubilidad de una sustancia depende de factores como la temperatura, la presión, la
naturaleza del soluto y del solvente, el tamaño de las partículas y el grado de agitación.
La relación cuantitativa entre el soluto y el solvente se denomina concentración y se puede medir
mediante las unidades físicas y las unidades químicas de concentración.
El pH determina el grado de acidez de las sustancias. Su valor depende de la concentración de
+
iones hidronio, H .
En la vida diaria utilizamos sustancias acidas, básicas y neutras. Ellas están presentes en
nuestro cuerpo y en nuestro entorno.
Los indicadores de pH son sustancias que se elaboran a partir de extractos vegetales, que
cambian de color al contacto con los ácidos, las bases y las sustancias neutras.
En una solución acida la concentración de hidrogeniones es mayor que la concentración de iones
hidroxilo.
En una solución básica la concentración de hidroxilos es mayor que la concentración de iones
hidronio.
El proceso por el cual se combinan un ácido y una base se denomina neutralización.
18
EVALÚA TUS COMPETENCIAS
Explica
1. La siguiente tabla muestra los valores de pH de varias sustancias. Haz una gráfica con estos datos y
responde las preguntas que están a continuación.
Sustancias
pH
Tomates
4,2
Huevos frescos
7,8
Leche de vaca
6,4
Saliva
6,6
Jugo de naranja
3,5
Lluvia acida
5,6
Amoníaco casero
11,5
a. ¿Cuáles sustancias son acidas?
+
b. ¿Qué sustancia presenta la mayor concentración de iones hidronio, H1 ?
c. ¿Qué sustancias son ligeramente básicas?
d. ¿Cuál es la diferencia de pH entre los tomates y el jugo de naranja?
e. ¿Qué se podría hacer para disminuir el pH del amoníaco casero?
2. La siguiente gráfica muestra la influencia de la temperatura en la solubilidad de algunos compuestos.
Responde las siguientes preguntas con base en la información que suministra esta gráfica
a. ¿Qué sustancia presenta más variación en la solubilidad?
b. ¿Cuántos gramos de hidróxido de sodio, NaOH, se disuelven a 20 °C?
c. ¿Cómo es la solubilidad del cloruro de sodio, NaCl, comparada con la solubilidad delas otras
sustancias?
19
d. ¿Cuál es la sustancia de mayor solubilidad? Explica tu respuesta.
e. ¿Qué temperatura se necesita para disolver 60 g de nitrato de Pb(II), Pb(NO3)2?
f. ¿Qué cantidad de KNO3 debe disolverse en 100 g de agua para obtener una solución sobresaturada?
Indaga
3. En el laboratorio encuentras tres frascos en cuyas etiquetas aparece el nombre de la sustancia y la
concentración:
a. ¿Cuál frasco contiene la solución de mayor concentración?
b. ¿Qué significa HCl 0,1 M?
c. ¿Cuál es la concentración normal del bromuro de potasio, KBr?
d. ¿Qué procedimiento realizarías para aumentar la concentración de NaOH?
e. ¿Qué relación existe entre la molaridad y la normalidad de una solución?
20
5. SISTEMAS TERMODINÁMICOS
Un sistema
termodinámico (también
denominado sustancia de trabajo) se define
como la parte del universo objeto de estudio.
Un sistema termodinámico puede ser una
célula, una persona, el vapor de una máquina
de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un
motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.
Los
sistemas
termodinámicos
ser aislados, cerrados o abiertos.
El sistema termodinámico puede estar
separado del resto del universo (denominado
alrededores del sistema) por paredes reales o
imaginarias. En este último caso, el sistema
objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte
de un sistema más grande. Las paredes que
separan un sistema de sus alrededores
pueden ser aislantes (llamadas paredes
adiabáticas) o permitir el flujo de calor
(diatérmicas).
pueden
•
Sistema aislado: es aquél que no
intercambia ni materia ni energía con los
alrededores.
•
Sistema cerrado: es aquél que intercambia
energía (calor y trabajo) pero no materia
con los alrededores (su masa permanece
constante).
•
Sistema abierto: es aquél que intercambia
energía y materia con los alrededores.
En la siguiente figura se han representado
los
distintos
tipos
de
sistemas
termodinámicos.
5.1. VARIABLES DE ESTADO
tendrá el mismo valor en ambos sistemas con
independencia del valor de las variables en
instantes anteriores. En general, los sistemas
fuera del equilibrio no pueden ser representados
por un número finito de grados de libertad, y su
descripción es mucho más compleja.
En termodinámica,
una función
de
estado o variable de estado es una magnitud
física
macroscópica
que
caracteriza
el estado de un sistema en equilibrio. Dado un
sistema termodinámico en equilibrio puede
escogerse un número finito de variables de
estado, tal que sus valores determinan
unívocamente el estado del sistema.
Algunas variables de estado de un sistema en
equilibrio son:
la energía interna
la presión.
la temperatura.
el volumen
la entalpía
la entropía
la densidad
la polarización.
El valor de una función de estado sólo depende
del estado termodinámico actual en que se
encuentre el sistema, sin importar cómo llegó a
él. Esto significa que si, en un instante dado,
tenemos dos sistemas termodinámicos en
equilibrio con n grados de libertad y medimos un
mismo
valor
de n funciones
de
estado
independientes, cualquier otra función de estado
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EVALUACIÓN DE COMPETENCIAS
4. Se compara un mol de los compuestos
covalentes X y J, tal como lo muestra la
ilustración:
NÚCLEO COMÚN
Contesta las preguntas 1 a 3 de acuerdo con la
siguiente información:
El sulfato de amonio es un compuesto que tiene
amplio uso como fertilizante. Su fórmula
molecular es (NH4)2SO4. En la tabla encuentras
la masa atómica de los elementos que lo
componen.
Elemento
Masa atómica o
molar (g/mol)
N
14
H
1
S
32
O
16
Según lo anterior, es válido afirmar que un
mol del compuesto
a) J contiene menos moléculas que un mol
del compuesto X.
b) J contiene igual cantidad de moléculas
que un mol del compuesto X.
c) X contiene igual cantidad de unidades
formule que un mol del compuesto J.
d) X contiene mayor cantidad de unidades
fórmula que un mol del compuesto J.
5. El catión presente en el Cu3(PO4)2 es:
1. De acuerdo con la información anterior, es
correcto afirmar que en la fórmula del sulfato
de amonio hay:
a) Cuatro moléculas de hidrógeno.
b) Un átomo de nitrógeno.
c) Ocho átomos de hidrógeno.
d) Cuatro moléculas de oxígeno.
a)
b)
c)
d)
+2
Cu .
-2
PO4 .
+3
Cu .
-3
PO4 .
Contesta las preguntas 6 a 9, teniendo en
cuenta la siguiente información:
2. De acuerdo con la fórmula, podemos
afirmar que el sulfato de amonio es una sal:
a) Doble.
b) Neutra.
c) Haloide
d) Acida.
6. Algunas reacciones del material T se
presentan en los siguientes esquemas de
reacción:
3. Si en un cultivo se utilizan diariamente 66
g de sulfato de amonio, es correcto afirmar
que, en tres días, el número de moles de la
sal empleada es:
a) 1,5.
b) 2,0.
c) 1,0.
d) 3,0.
→ A
T
+
O2
A
+
H 2O → H 2 TO3
H 2TO3 +
B
→ X 2TO3
De acuerdo con la información anterior, es
correcto afirmar que el material T es un:
a)
b)
c)
d)
22
Óxido ácido.
Elemento metálico.
Óxido básico.
Elemento no metal.
7. Según la información anterior, podemos
afirmar que el estado de oxidación del
material T es:
a)
b)
c)
d)
11. De acuerdo con la información anterior,
es muy probable que en la muestra 3 se
encuentren las sales:
-2.
+4.
-1.
+6.
a)
b)
c)
d)
8. De acuerdo con la información anterior, es
válido afirmar que la fórmula más probable
para el compuesto A es:
a)
b)
c)
d)
Profundización
Contesta las preguntas 12 a 14 de acuerdo
con la siguiente información:
TO2.
TO.
TO3.
T2O.
La tabla siguiente muestra la composición
porcentual de los compuestos W y Q, que
contienen carbono, hidrógeno y oxígeno,
respectivamente.
9. De acuerdo con la información anterior, la
fórmula más probable del compuesto B es:
TO3.
XOH.
H2TO3.
XH.
a)
b)
c)
d)
COMPUESTO Q
Contesta las preguntas 10 y 11 de acuerdo
con la siguiente información:
Se realizó un análisis para determinar la
composición iónica de tres muestras de suelo.
Los resultados del análisis se presentan en la
siguiente tabla.
MUESTRA 1
Na
+
MUESTRA 2
Ca
+2
NH4+
K
-2
SO4
NO3
+
K
CaCI2, Ca3(PO4)2 y Na2Ca.
NaCI, CaCI2, Na3PO4, y Ca3(PO4)2.
Na2Ca, CaCI2, Na3PO4, y Ca3(PO4)2.
NaCI, Na(PO4)3, y Ca3(PO4)2.
+
-
F
Elemento
Porcentaje
Elemento
Porcentaje
Carbono
54,5%
Carbono
68,8%
Oxígeno
36,3%
Oxígeno
26,2%
Hidrógeno
9,2%
Hidrógeno
5,0%
MUESTRA C
Cl
-
12. De acuerdo con la información anterior, la
fórmula mínima del compuesto W es:
a) C6H7O.
b) C3H7O.
c) C7H6O2.
d) C5H4O.
PO4-3
-
COMPUESTO W
Ca
+2
Na
+
13. Si la masa molecular del compuesto Q es
44 g/mol, la fórmula molecular más probable
para el compuesto Q es:
a) C5H4O.
b) C4H5O2.
c) C7H6O2.
d) C2H4O.
10. De acuerdo con la información de la tabla,
es muy probable encontrar sulfato de amonio
en:
a) Las muestras 2 y 3.
b) La muestra 3.
c) Las muestras 1 y 2.
d) La muestra 1.
23
14. Si se comparan dos muestras 1 y 2, de
100 g y 50 g del compuesto W,
respectivamente, es muy probable que la
composición porcentual del:
a) Carbono sea mayor en la muestra 1.
b) Hidrógeno sea menor en la muestra 2.
c) Carbono sea igual en las muestras 1 y
2.
d) Hidrógeno sea mayor en la muestra 2.
Elemento
Masa atómica o molar (g/mol)
C
12
N
14
O
16
Contesta las preguntas 15 y 16 de acuerdo
con la siguiente información:
H
1
Por medio de un análisis, se determinó la
composición porcentual del compuesto H. Los
resultados del análisis se presentan en la
siguiente gráfica:
15. De acuerdo con la información anterior,
es correcto afirmar que en 150 g del
compuesto H hay:
a) 5,0 moles de N.
b) 8,5 moles de C.
c) 3,0 moles de O.
d) 1,0 mol de H.
16. Un análisis adicional permitió determinar
que la masa molecular del compuesto H es
176 g/mol. De acuerdo con lo anterior, la
fórmula molecular del compuesto H es:
a) C10NOH12.
b) C5NOH12.
c) C10N2OH12.
d) C10N2OH10.
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BIBLIOGRAFÍA
http://es.scribd.com/doc/48851392/que-es-la-estequiometria
http://genesis.uag.mx/edmedia/material/qino/t8.cfm
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/sistema.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_de_estado
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