Tema 1: El estudio del cambio. QU-0114 Química General Intensiva. M.Sc. Laura Calderón Rodríguez. 1 ¿Química? Materia Es el material físico, es todo lo que tenga masa y ocupe espacio. Esta compuesta por átomos, que es el bloque de construcción infinitesimalmente mas pequeño que compone la materia. Estos forman moléculas. 2 El estudio de la química Macroscópico Microscópico 3 Química • Salud y medicina • Sistemas sanitarios • Cirugía con anestesia • Vacunas y antibióticos •Diagnósticos y terapia • Industria • Alimentos • Materiales • Agronómica •Energía y medio ambiente • Combustibles fósiles • Energía solar • Energía nuclear 4 Importancia de la Química 5 Estados de la materia 6 Características de los estados de la materia Sólido -Cohesión elevada. -Forma definida. -Incompresibilidad (no pueden comprimirse). -Resistencia a la fragmentación. -Fluidez muy baja o nula. -Algunos de ellos se subliman (yodo). -Volumen constante (hierro). Líquido -Cohesión menor. -Movimiento energía cinética. -No poseen forma Gaseoso -Cohesión casi nula. -Sin forma definida. -Su volumen es variable. -Pueden comprimirse definida. fácilmente. -Toma la forma de la superficie o el recipiente -Ejercen presión sobre que lo contiene. las paredes del -En el frío se comprime. recipiente contenedor. -Las moléculas que lo -Posee fluidez a través componen se mueven de pequeños orificios. con libertad. -Puede presentar -Ejercen movimiento ultra dinámico. difusión. -Tienden a dispersarse -Volumen constante. fácilmente 7 Clasificación de la materia Varios componentes 8 Sustancia Pura • Tiene propiedades definidas y una composición que no varía de una muestra a otra. • Elemento: no pueden descomponerse en sustancias más simples (se componen de un solo tipo de átomo). Pueden ser átomos o moléculas. Ej: Fe, Cl2 • Compuesto: Contienen 2 o más elementos (2 o más tipos de átomos). Se pueden separar sus componentes por métodos químicos. Ej: FeCl2 9 Mezclas: • Combinaciones de 2 o más sustancias en las que cada una conserva su propia identidad química. No tienen composición fija. Se pueden separar sus componentes por métodos físicos. • Mezcla Homogénea: es uniforme en toda la muestra, por ejemplo un refresco. • Mezcla Heterogénea: NO es uniforme, por ejemplo el cemento. 10 Identificación separación • Filtración: mezclas heterogéneas. 11 Destilación: mezclas homogéneas. 12 Cromatografía: mezclas homogéneas. 13 COLOIDES 14 COLOIDES • Partículas dispersadas son grandes pero no tanto como para sedimentar. • Partículas coloidales entre 1-100 nm. • Tienden a ser turbias u opacas a no ser que estén muy diluidas. • Dispersan la luz por su tamaño: Efecto Tyndall 15 Efecto Tyndall • Partículas coloidales son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz. 16 Tipos de coloides 17 coloides hidrófilos e hidrófobos • Medio de dispersión es el agua. • Hidrófilos: afines al agua. Interacción por los grupos polares • Ej disoluciones de enzimas o anticuerpos en el cuerpo (acomoda sus grupos polares) • Hidrófobos: no afines al agua. Solo se pueden dispersar si se estabilizan de alguna manera (por ejemplo adsorción de iones en la superficie, o por especies anfifílicas). Ej emulsionar grasas 18 Elementos más comunes 19 Elementos más comunes Por ejemplo, cinco elementos (oxígeno, silicio, aluminio, hierro y calcio) conforman más de 90% de la corteza terrestre. Y solo tres elementos (oxígeno, carbono e hidrógeno) constituyen 90% de la masa del cuerpo humano. 20 Propiedades de la materia • Propiedades y cambios físicos: No cambian la identidad y composición de la sustancias. No hace referencia a cambios en la composición. • • • • • • • • Color. Olor. Densidad ( m/v). P.F. P.E. Dureza. Maleable. Dúctil. 21 • Propiedades y cambios químicos: Describen la forma en que una sustancia puede cambiar su composición o reaccionar para formar otras sustancias. Cambio de identidad • Inflamabilidad (Capacidad de arder en presencia de oxigeno). 22 Propiedades de la Materia • Propiedades Intensivas: Independientes de la cantidad de sustancia, ejemplos: densidad, punto de fusión, color, temperatura, etc. • Propiedades Extensivas: dependen de la cantidad de materia que se tenga, ejemplos: masa, volumen, etc. 23 Unidades de Medición • Muchas propiedades son cuantitativas. • Unidades del sistema internacional, SI 24 Unidades Derivadas Expresadas a través de las unidades fundamentales. 25 Prefijos 26 Relación entre longitud, área y volumen • Longitud: distancia • Área: superficie • Volumen: espacio 27 28 Medición de la masa Masa: Cantidad de materia en un objeto y es independiente de la ubicación. Unidades de masa (kg) Peso: mide la fuerza con la que la gravedad atrae a los objetos. Si depende de la localización. Unidades de fuerza (N) La masa de un objeto se puede medir si se compara su peso con el de un estándar de masa conocida 29 30 Temperatura y calor La temperatura es una medida (capacidad de transferir energía) del calor (flujo de energía) de un objeto. Calor: energía transferida 31 Temperatura Celsius: Originalmente se basó en la asignación de 0 oC al punto de congelación del agua y 100 oC a su punto de ebullición. Kelvin: Se basó en las propiedades de los gases (cero absoluto = -273,15ºC, temperatura teórica más baja posible). En trabajos científicos Fahrenheit: Se establecen otros puntos de referencia de temperatura. 32 K C 273 ,15 C Realizar conversiones 5 ( F 32 ) 9 33 Densidad • Es una propiedad de la materia que se utiliza para caracterizar una sustancia (intensiva). • Se define como la cantidad de masa por unidad de volumen de la sustancia. • Densidad ≠ peso densidad = Unidades masa volumen sólidos- g/cm3 líquidos- g/mL gases- g/L 34 Dependencia de la densidad con la temperatura Es muy dependiente de la temperatura, ya que el volumen cambia con esta. Siempre debe indicarse la temperatura a la cual se mide. Generalmente las sustancias al calentarse se expanden (menor densidad) y al enfriarse se contraen (mayor densidad). El agua tiene la peculiaridad que cuando se enfria por debajo de los 3.98 oC, se expande!!! 35 Incertidumbre en la Medición • Se puede comprobar que existe diferencia al medir varias veces el mismo objeto. • Toda medida está sujeta a errores. • Estos errores se reflejan en el número de cifras que se reporta en la medición. 36 Incertidumbre • Existen 2 tipos de números: • Exactos: aquellos valores que se conocen con exactitud. Se considera que tienen un número infinito de cifras significativas, son aquellos números que corresponden a definiciones y los que provienen del conteo de objetos. • Inciertos o inexactos: aquellos valores que suponen cierta incertidumbre. Son los números que provienen de una medición, estos valores van a tener una cierta cantidad de cifras significativas dependiendo del instrumento con el que se efectuó la medida. 37 Exactitud y Precisión • Las medidas “exactas” son aquellas que se acercan al valor REAL. (que tanto coincide cada valor con un valor ¨correcto¨) • Las medidas “precisas” son aquellas cuyos valores son muy cercanos entre si. (que tanto coinciden varias mediciones) 38 Cifras Significativas • La cantidad de dígitos reportados en una medida está relacionada con: • La exactitud de la medida. • La precisión del equipo de medición. • Los números ciertos más uno son llamados CIFRAS SIGNIFICATIVAS. 39 Incertidumbre 0 cm 1 2 3 4 1,7 cm < length < 1,8 cm • Instrumento: ± ½ de la mínima división length = (1,74 ± 0,05) cm Los números ciertos más uno son llamados CIFRAS SIGNIFICATIVAS. 40 • Instrumento: ± ½ de la mínima división 41 Reglas para determinar cifras significativas: 1. Ceros en el medio se toman como cualquier otro dígito y SI son significativos. 4,803 cm 4 CS 2. Ceros al comienzo NO son significativos solo funcionan para colocar el punto decimal. 0,00661 g 3 CS (6,61 x 10-3 g) 3. Ceros al final y después del punto decimal son SIEMPRE significativos 55,220 K 5 CS 42 4. Ceros al final pueden ser significativos o no (con notación cientifica se puede aclarar) 34 200 m 3, 4 ó 5 CS Los números exactos, se toman como un número infinito de cifras (no proporcionan incertidumbre) 43 Leyes de Redondeo • Al reportar un valor se debe hacer con las cifras significativas correctas. • Si es necesario eliminar dígitos se debe seguir las siguientes reglas: • Si el primer dígito a eliminar es < 5 el valor no se modifica. 0,0562 expresado con 2 C.S. sería 0,056 • Si el primer dígito a eliminar es > 5 el valor se le adiciona una unidad en el último dígito. 0,0567 expresado con 2 C.S. sería 0,057 44 Hay 2 maneras de redondeo sobre el 5. Reglas de redondeo para el 5 (si el dígito a eliminar es 5) Si el # a redondear es impar y luego va un 5, se le suma 1 • 2,335 expresado con 3 C.S. sería 2,34 Si el # a redondear es par y luego va un 5, se queda igual • 2,465 expresado con 3 C.S. sería 2,46 45 Cifras Significativas: en resultados de Suma y Resta La respuesta no puede tener más dígitos (decimales) a la derecha del punto decimal que ninguno de los datos originales. 89,332 + 1,1 Un número significativo después del punto decimal. 90,432 Redondeado a 90,4 (1 decimal / 3 CS) 3,70 -2,9133 Dos números significativos después del punto decimal. 0,7867 Redondeado a 0,79 (2 decimales / 2 CS) 46 Cifras Significativas: Multiplicación y División La cantidad de “cifras significativas” en los resultados se determina por la cantidad de cifras significativas del dato original que tenga la menor cantidad de cifras significativas. 4,51 x 3,6666 = 16,536366 = 16,5 (3 CS) 6,8 ÷ 112,04 = 0,0606926 = 0,061 (2 CS) 3 cifras signif. Dígitos después de las 3 cifras signif. 2 cifras signif. Dígitos después de las 2 cifras signif. 47 Notación Científica N x 10n • N debe ir entre 1-9 y la n debe ser un número entero positivo o negativo. • Cuando se desplaza la coma decimal a la izquierda n es positivo la cantidad de veces que se movió el punto. • Cuando se desplaza la coma decimal a la derecha, n es negativo la cantidad de veces que se movió el punto. Número Notación Científica 58 400 5,84 x 104 0,35 3,5 x 10-1 7,279 7,279 48 Notación Científica (NC) • Suma y Resta: • Escriba la cantidad con el mismo exponente n. • Sume o reste N. • El exponente n permanece igual. • Se aplican las reglas de cifras. • El resultado final debe ir en NC (en el procedimiento no necesariamente). 4,31 x 104 + 3,9 x 103 = 4,31 x 104 + 0,39 x 104 = 4,70 x 104 49 Notación Científica • División: • Se divide N1 y N2. • Se resta los exponentes n1 y n2. 8,5 x 104 ÷ 5,0 x 109 = (8,5 ÷ 5,0) x 104-9 = 1,7 x 10-5 • Multiplicación: • Se multiplica N1 y N2. • Se suma los exponentes n1 y n2. (4,0 x 10-5) x (7,0 x 103) = (4,0 x 7,0) x (10-5+3) = 28 x 10-2 = 2,8 x 10-1 50 Cifras Significativas: Operaciones con Números Exactos Al efectuar operaciones matemáticas que involucran números exactos, al establecer la cantidad de cifras significativas que se debe reportar, no se considera el valor exacto, solo los valores medidos. Ejemplo: ¿Cuál es el promedio de las siguientes medidas: 6,64, 6,68 y 6,7? 6,64 + 6,68 + 6,7 20,0 = = 6,673333 = 6,67 (y no 7) 3 3 Debido a que 3 es un número exacto. 51 Análisis Dimensional • Consiste en enfrentar un problema buscando las unidades de partida y las unidades requeridas. • La conversión se lleva a cabo por factores de conversión. Cantidad dada x factor de conversión = cantidad deseada unidad dada X unidad deseada unidad dada = unidad deseada 52 Análisis Dimensional Ejemplo ¿Cuántos mL hay en 1,630 L? Unidad de conversión 1 L = 1000 mL 1000 mL 1,630 L x = 1630 mL 1L 1L L2 1,630 L x = 0,001630 1000 mL mL 53 Análisis Dimensional Ejemplo La velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 343 m/s. ¿A cuántas millas por hora equivale? Conversión de unidades metros a millas segundos a horas 1 mi = 1609 m 343 1 mi m x s 1609 m 1 min = 60 s x 60 s 1 min x 60 min 1 hora 1 hora = 60 min = 767 mi hora 54 • Masa en gramos de un material de dos pulgadas cúbicas (2,00 in3), con una densidad de 19,3 g/cm3. 1 in = 2,54 cm (1 in)3 = (2,54 cm)3 3 (2,54cm) 19,3g 3 2,00in x (1in) 3 1cm 3 55
