UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA CURSO PREFACULTATIVO ASIGNATURA QUÍMICA GRUPO VIRTUAL CAPÍTULO I: CONCEPTOS FUNDAMENTALES DOCENTE : ING. JHONNY CRUZ MUÑOZ LA PAZ BOLIVIA 2024 OBJETIVOS DEL CAPÍTULO 1 ➢ Lograr la comprensión de la importancia vital que tiene la química con respecto a otras ciencias y que permite satisfacer las necesidades de la sociedad. ➢ Conocer el objeto de estudio de la química y sus diversas ramas que se clasifican ➢ Comprender los conceptos de materia y sus propiedades para sus respectivas aplicaciones ➢ Aplicar los conceptos fundamentales de química a los problemas de las propiedades básicas de la materia ¿QUÉ ES LA QUÍMICA? ★ La química es la ciencia que estudia la materia, sus propiedades físicas y químicas, los cambios y combinaciones que experimenta y las variaciones de energía que acompañan a dichas transformaciones. ★ “la química es una ciencia que se encarga de estudiar la estructura interna (composición), propiedades y la transformación de la materia”. ¿QUÉ ES CIENCIA? La ciencia es el conjunto de conocimientos ordenados y sistematizados, los cuales fueron obtenidos mediante la observación y razonamiento, de los que se deducen principios y leyes generales. La observación: consiste en observar o examinar un fenómeno, con el fin de recolectar datos de forma sistemática. El razonamiento: después de la observación el paso siguiente es la interpretación, donde se pretende explicar el fenómeno observado, formulando explicaciones tentativas de lo observado (hipótesis). OBJETO DEL ESTUDIO DE LA QUÍMICA La Química es una ciencia que tiene como objeto el estudio de la materia en cuanto a su composición, propiedades y transformaciones, así como de la interpretación teórica de los mismos y los cambios energéticos que tienen lugar en dichas transformaciones. ¿PORQUE ES IMPORTANTE LA QUIMICA PARA TI Y EL MUNDO? La importancia de la química recae en el estudio que es la materia y de los organismos vivos a fin de comprender mejor cómo funciona todo a nuestro alrededor y en nuestro cuerpo DIVISIÓN DE LA QUÍMICA Química general: Estudia los fundamentos o principios básicos comunes a todas las ramas de la ciencia química. Química descriptiva: Estudia las propiedades y obtención de cada sustancia químicamente pura en forma particular. Podemos subdividirla en: ● Química inorgánica: Estudia todas las sustancias inanimadas o del reino mineral. ● Química orgánica:Estudia todas las sustancias que contienen carbono (con excepción de CO, CO2, Carbonatos, etc.) ya sean estos naturales (provenientes del reino animal y vegetal) o artificiales (plásticos, fibras, textiles). Química analítica: Estudia las técnicas para identificar, separar y cuantificar las sustancias orgánicas e inorgánicas presentes en una muestra material, o los elementos presentes en un compuesto químico. Se subdivide en: ● Cualitativa: Estudia las técnicas para identificar las sustancias químicas (simples y compuestas) en una muestra material o los elementos químicos presentes en un compuesto. Así, por ejemplo, se ha determinado que en el agua pura sólo hay dos elementos: hidrógeno y oxígeno; en la sal común, cloro y sodio; en el azúcar de mesa, carbono, hidrógeno y oxígeno. Cuantitativa: Estudia las técnicas para cuantificar las sustancias químicas puras en una muestra material o el porcentaje en peso que representa cada elemento en un compuesto, para luego establecer su fórmula química. Así, por ejemplo, tenemos que en el agua hay 88,89% en peso de oxígeno y 11,11% de hidrógeno, luego, la fórmula del agua será H2O. Química aplicada: Por su relación con otras ciencias y su aplicación práctica, se subdividen en: ● Bioquímica ● Fisicoquímica ● Química industrial ● Petroquímica ● Geoquímica ● Astroquímica ● Farmoquímica MASA Y PESO La masa (m), es la cantidad de materia que tiene un cuerpo o sustancia cualquiera. (No varía si el cuerpo cambia de posición o altura, es una propiedad invariable, y una cantidad escalar). Por su parte peso, es la fuerza con la que un cuerpo es atraído hacia el centro de la tierra por acción de la gravedad. (Peso = W = m * g). MATERIA Y SUS PROPIEDADES “Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa”. O también “La cantidad de materia que posee un cuerpo, viene determinada por la cantidad de masa” PROPIEDADES DE LA MATERIA Se llama propiedades de la materia a sus características específicas.Algunas, también, son diferentes incluso dentro del mismo grupo para cada una de las sustancias que forman parte de él, considerándose propiedades específicas. Sin embargo, existe otra clasificación fundamental respecto a las propiedades de la materia, ligadas al tipo de característica que cada una de ellas viene a diferenciar. Es la que divide a las propiedades entre las físicas y las químicas. PROPIEDADES DE LA MATERIA 1) Las propiedades extrínsecas (extensivas o generales). Son aquellas que varían con la cantidad de materia considerada, permitiendo reconocer a la materia, como la extensión, o la inercia. Estas son: peso, volumen y longitud. 2) Las propiedades intrínsecas (intensivas o específicas). Las propiedades intrínsecas (específicas) manejan todo lo que son las propiedades peculiares que caracterizan a cada una de las sustancias, permitiendo diferenciarse de otras. En estas encontramos la densidad, el punto de ebullición, la electronegatividad,la dureza, la tenacidad, la solubilidad entre otras. Son aquellas que no varían con la cantidad de materia considerada Y No son aditivas. FENOMENOS FISICOS Y QUIMICOS Fenómeno es cualquier cambio o transformación que sufre la materia y que se lo advierte por las diferencias halladas al observar el material, antes y después de dicho fenómeno. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA Los más importantes estados de agregación de la materia son: Sólido, Líquido, Gaseoso PUNTO DE VISTA MACROSCOPICO Se estudian las características y propiedades de la materia en forma general, según como lo perciben nuestros sentidos: FORMA, VOLUMEN, principalmente: PUNTO DE VISTA MICROSCOPICO ¿QUÉ SON LOS MOVIMIENTOS MOLECULARES Y CUANTOS EXISTEN? 1) Traslacional. - las moléculas pueden cambiar de posición en el espacio, al azar y de manera caótica, en virtud de su alta energía cinética, característico del estado gaseoso, además de contar con los movimientos vibracional y rotacional. 2) Rotacional. - movimiento que realizan las moléculas sobre su propio eje más importante y característico del estado líquido, además poseen el movimiento de vibración. 3) Vibración. - es el movimiento que realizan los átomos enlazados acercándose o alejándose entre ellos, característico del estado sólido, cuyas moléculas no cambian de posición por ello poseen forma definida. (1)Cohesividad. - La fuerza de cohesión es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. OTROS ESTADOS DE LA MATERIA Estado plasma (cuarto estado de la materia):Los plasmas están constituidos por una mezcla de partículas neutras, iones positivos (átomos o moléculas que han perdido uno o más electrones) y electrones negativos. Estado condensado de bose-einstein: El estado condensado de BoseEinstein tiene 2 características únicas denominadas super fluidez y superconductividad. La super fluidez significa que la materia deja de tener fricción y la superconductividad indica resistencia eléctrica nula. Estado intermedio coloidal: Un coloide, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema compuesto por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas (Soluto coloide). CAMBIOS DE ESTADO Proceso mediante el cual las sustancias pasan de un estado de agregación a otro. El estado de la materia depende de las fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las partículas. La modificación de la temperatura o de la presión modificará dichas fuerzas de cohesión pudiendo provocar un cambio de estado. SISTEMA Es toda porción de materia sujeta a observación y estudio, que consta de límites físicos o imaginarios llamados fronteras que los separan del medio ambiente circundante. FASE Es toda porción del sistema o materia, química y físicamente homogénea (igual). CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA Generalmente la materia ordinaria se encuentra formada casi por mezclas complejas de sustancias puras y el resto por sustancias puras, luego toda muestra de materia puede clasificarse como sustancia pura o como mezcla. SUSTANCIA PURA Es una materia que tiene una composición fija (constante y definida) y propiedades que la distinguen. ELEMENTOS Y COMPUESTO Existen dos clases de sustancia químicas, los Elementos y Compuestos: MEZCLA Es un agregado de dos o más sustancias en distintas proporciones donde cada una mantiene sus propiedades pudiendo ser separadas por medios físicos en base a las propiedades de las diversas sustancias que la componen MEZCLA Y COMBINACIÓN Cuando se reúnen dos o más sustancias, el resultado puede ser una mezcla o una combinación. Se trata, pues, de dos cosas muy distintas que es necesario saber diferenciar. Mezcla, es todo material que comprende la unión física de dos o más sustancias en proporciones variables de masa, donde cada componente conserva sus propiedades y composición. Es un fenómeno físico. Una Mezcla Heterogénea, si sus componentes pueden distinguirse a simple vista. Una Mezcla Homogénea, si sus componentes No pueden diferenciarse a simple vista y presenta una sola fase Combinación, es aquel sistema material resultante de la transformación íntima de varias sustancias. Es la unión química de una o más sustancias en proporciones fijas de masa. SOLUCIONES Las mezclas en estado líquido se denominan solución UNIDADES DE CONCENTRACION FISICAS MEDICIÓN Una medición siempre consiste de dos partes: un número y una unidad. Ambas partes son necesarias para hacer significativa la medición. Por ejemplo, suponga que una amiga le dice que vio un insecto de 5 de largo. Este enunciado no es significativo tal como está. ¿Cinco qué? El punto es que para que una medición sea significativa, debe consistir de un número y una unidad que indique la escala que se está utilizando. INCERTIDUMBRE DE UNA MEDICIÓN CIFRAS SIGNIFICATIVAS CIFRAS SIGNIFICATIVAS NOTACIÓN CIENTÍFICA Los números asociados con mediciones científicas con frecuencia son muy grandes o muy pequeños. Por ejemplo, la distancia de la Tierra al Sol es de aproximadamente 93,000,000 (93 millones) de millas. Escrito, este número es bastante abultado La notación científica es un método para hacer más compactos y fáciles de escribir los números muy grandes o muy pequeños. SISTEMA DE MEDIDAS Unidades SI básicas nombre de magnitud fisica basica la unidad simbolo sistema metrico nombre de simbolo la unidad sistema ingles nombre de simbolo la unidad Longitud (L) metro m centimetro cm pies ft Masa (M) Kilogramo kg gramo g libras lb Tiempo (t) segundo s segungo s segundo s Corriente eléctrica (I) Ampere A - - - - Temperatura (T) Kelvin K celsius °C fahrenheit °F Cantidad de sustancia mol mol mol mol Mol mol Cd - - Intensidad luminosa (Iv) Candela unidades suplementarias de SI Angulo plano radian rad angulo solido estereoradian sr UNIDADES FUNDAMENTALES PREFIJOS UNIDADES DERIVADAS FACTORES DE CONVERSION • Frecuentemente se requiere expresar una magnitud en diferentes sistemas de unidades. Existen dos métodos para convertir unidades de un sistema a otro, sin que ello signifique un cambio de la equivalencia: SE DEBE MEMORIZAR LA SIGUIENTE TABLA CON FACTORES DE CONVERSIÓN MÁS UTILIZADOS PROPIEDADES INTRÍNSECAS DE LA MATERIA son las cualidades características de cualquier muestra de una sustancia independientemente del tamaño o forma de dicha muestra. Es decir, que estas propiedades no cambian, aunque cambien, por ejemplo, la masa de una sustancia. Entre estas tenemos la densidad, presión, temperatura, color, gravedad específica, calor específico. Por otra parte, las propiedades extrínsecas, son las cualidades que no son características de la sustancia propiamente dicha y están relacionadas con la cantidad de material que se mide. Son propiedades extrínsecas: Inercia, Masa, Peso, Fuerza, Volumen MASA Masa, es la cantidad de materia que tiene un cuerpo o sustancia cualquiera. (No varía si el cuerpo cambia de posición o altura, es una propiedad invariable, y una cantidad escalar); Kg, g, T, Lb, oz, etc. Peso, es la fuerza con que un cuerpo es atraído hacia el centro de la tierra por acción de la gravedad. VOLUMEN Volumen es una magnitud definida como el espacio ocupado por un cuerpo. DENSIDAD ABSOLUTA La Densidad Absoluta (o masa específica), se define como la masa de una sustancia que ocupa una unidad de volumen. (Volúmenes iguales de diferentes sustancias contienen masas diferentes). EJEMPLO DENSIDAD RELATIVA La densidad relativa (gravedad específica o peso específico relativo), es la relación existente entre la densidad absoluta de una sustancia y la densidad de otra sustancia conocida como referencia o patrón. PESO ESPECIFICO El Peso Específico, es la relación existente entre el peso de una sustancia con respecto a su volumen, es una propiedad intensiva. ENERGIA, CALOR Y TEMPERATURA “La energía es la capacidad de realizar trabajo o transferir calor”. “El calor es una forma de energía, es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas”. El calor y la temperatura no son sinónimos, podemos decir que están estrictamente relacionados ya que la temperatura puede determinarse por la cantidad de calor acumulado, el calor es un fenómeno físico que eleva la temperatura y dilata un cuerpo, el calor que éste posee es la suma de la energía cinética de todas sus moléculas. “La temperatura se halla relacionada a la sensación de frío o caliente percibida por nuestros sentidos, y mide el grado de movimiento o agitación molecular”. ESCALAS DE TEMPERATURA DEFINICIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO El cociente entre la energía calorífica Q de un cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo: El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. La CALORÍA se define como: La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5°C a 15,5°C. (En el sistema métrico). PROBLEMAS RESUELTOS 1.- Determinar el numero de A) milímetros en 10 pulgadas, B) pies en 5m, C) centímetros en 4 pies y 3 pulgadas. 2.- Convertir el volumen molar de 22,4 L a mililitros., centímetros cúbicos., metros cúbicos y a pies cúbicos. PROBLEMAS RESUELTOS 3.- En un experimento de laboratorio de química es necesario que cada estudiante use 25 miligramos de magnesio. El instructor habré un frasco nuevo que contiene 1 libra de metal. Si cada cada estudiante de los 24 estudiantes del grupo usa exactamente la cantidad del metal estipulada: A) ¿Qué cantidad de metal queda en el frasco al final de la sesión de laboratorio?, B) ¿Qué cantidad de metal se necesitan para 20 grupos de estudiantes?. PROBLEMAS RESUELTOS 4.- Una industria planea distribuir paquetes de tuercatornillo-arandela. Cada juego consta de una tuerca cuyo peso es de 1,95 g, un tornillo de 3,20 g, y dos arandelas con un peso de 0,65 g cada una. Los juegos se venderán en paquetes de una gruesa (12 docenas); A) ¿Cuál es peso neto de tres paquetes expresado en libras? PROBLEMAS RESUELTOS 5.- El acido tartárico se obtiene de la uva y se emplea en la industria como conservante de jugos de fruta. Si para conservar, 2 litros de jugos de frutas se requieren 0,4 mg de acido tartárico, ¿Cuántas hectáreas (Ha) de producción de uva se deben utilizar si se desea añadir este conservador a una producción de 10000 litros de jugo de frutas?. En una hectárea de producción de uva producen 16,0x10^4 plantas de uva, en una planta de uva hay un promedio de cuatro racimos y de un racimo de uvas se obtiene 0,002 mg de acido tartárico. 6.- Un grupo de estudiantes del pre facultativo de ingeniería, por las fiestas de carnaval, deciden invitar a sus ayudantes a una confraternización, se sirve Vodka en forma de coctel, si el gusto alcohólico de los ayudantes es de 20%. El vodka tiene una concentración de 44% de alcohol en volumen, si el número de ayudantes es de 25, y cada ayudante consume un promedio de 12 copas de 100 ml. Calcular el número de botellas de vodka de 800 cc que deberá adquirirse, el gasto solo de vodka si cada botella cuesta 20 bs. El consumo de alcohol puro de cada ayudante. PROBLEMAS RESUELTOS 7.- en una probeta que contiene 30 ml de agua, se introduce un metal de forma irregular de 27 g y el nivel del liquido alcanza hasta los 40 ml. Calcular la densidad del metal y además indicar de que metal se trata. PROBLEMAS RESUELTOS 8.- un disco plano, formado por una aleación, tiene 31,5 mm de diámetro externo y 4,5 mm de espesor, con un orificio central de 7,5 mm de diámetro interior. El disco pesa 20,9 gramos. ¿Cuál es la densidad de la aleación en unidades del sistema internacional? PROBLEMAS RESUELTOS 9.- determinar la masa de una esfera hueca de aluminio sabiendo que el volumen interior del cuerpo contierne 0,0578 pies cúbicos de agua y que el espesor de la esfera hueca es de 1 cm. (la densidad relativa del aluminio es 2,7). PROBLEMAS RESUELTOS 10.- la densidad de un cuerpo al dilatarse disminuye en 0,6 g/cc y su volumen en un tercio, ¿Cual es la densidad inicial del metal? PROBLEMAS RESUELTOS 11.- Expresar la temperatura del cuerpo (37°C) en °F y R. PROBLEMAS RESUELTOS 12.- Un arco eléctrico estabilizado con agua, según un informe alcanzo una temperatura de 25600 °F. En la escala absoluta cual es la relación de esta temperatura a la de una llama de oxiacetileno a 3500 °C. PROBLEMAS RESUELTOS 13.- La temperatura en la escala Fahrenheit = m (temperatura en una nueva escala L) +n, es decir °F = m°L + n, siendo m y n constantes. A la presión de 1atm, la temperatura de ebullición del agua es 212 °F en la escala Fahrenheit, o bien 80 ° L en la nueva escala, y el punto de congelación de agua es 32°F o bien -10 °L. A) ¿Cuáles son los valores de m y n?, B) ¿Cuál es el cero absoluto en la escala L? PROBLEMAS RESUELTOS 14.- La temperatura de un cuerpo A, es el doble que el de B, cuando están medidos en grados Celsius, pero si se expresa en °F, la diferencia es de 18 °F. ¿Cuál es la temperatura de B en °C?
