Manual Esencial de Química Santillana: Guía para Estudiantes

-----QUÍMICA
MANUAi ESENCIAi Santlllana
Mario Avíla Garrido
Químico Farmacéutico. Unive,-sidad de Chile.
Programa de Doctorado en Ciencias BioMédicas. Universidad de Chile.
Licenciado en Educación. Profesor de B1ologla y Ciencias Naturales. Universidad Mayor.
Patricia Calderón Valdés
Licenciada en Educación, Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación.
"Profesora de Químrca, Universidad Me1ropol11ana de CienC1as de la Educación.
Magister en Currlculo y Evaluación {c), Universidad la República.
Claudia Maureira Quintanilla
licenciada en Educación, Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación.
Profesora de Química, Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación.
Magrster en Currkulo y Evaluación (e). Universidad La República.
Ingeniería en E¡ecución Química. Universidad de Santiago de Chile.
1
Presentación
El Manual Esencial Santillana es una sín1es1s conceptual de los
con1enidos mínimos de la Educación Media, y una fuen1e de
información de los contenidos de formaoón cliferenciacla induidos
en los d,st,ntos subsectores de aprendiza¡e.
Por su rigurosidad concepwal, el Manual Esencial Santillana
constituye un apoyo al trabajo docente y al aprendizaje teónco y
actualizado de ta qu1m,ca. espeoalmente dirigl(fo a eslUd1an1es de
Educaoón Med,a y primer a/\o universilario.
Princ,pa!es aportes didáct,cos:
• Es una herramienta complementaria al texto escolar
- Es una gula de apoyo conceptual para quienes no usan lexlo
escolar.
• Quienes cursan preuniversitano o se encuentran preparando la
PSU, encuentran en ta colección todos los contenidos mínimos
del subsector.
• Es un ma1erial de consulta para ramos de nivelación del primer
ario un1versitano, los que consideran muchos de los contenidos
de la Educación Media.
• La presentación de los contenidos es práclica y funcional, para
que el alumno lo pueda usar con facilidad.
• Los temas se presentan de una manera sintética, apoyada por
esquemas, tablas. gráficos, fotografías e ilustraciones que
facilnan las comprens,ón de los conlenídos.
• Se presentan e1ercicios resuellos y propuestos, cuando sea
pertinente. con sus respec1ivos solucionarios.
• Incorpora y sistematiza los aspectos fundamentales del trabi'l¡o
de laboralorio.
En definitiva, cada uno de los manuales de esla colección tratar~
las grandes áreas temáticas de los sectores de aprendizaje,
favorecrendo la visión integral de ellas.
11
El material de Química, proyecto Manual Esencial Santillana, para Educación Media, es una obra cotecti\ta,
creada y d11eIwda por el Departamento de rovestigac ones Educali',as de Editorial Saotilla~a, bajo la direccioo de
Manuel José Rojas Leiva
Coordinación área Cientifico•Matemática
Gab11el MoIeno Rioseco
la realización gráfica ha sido efectuada bajo la
dirección de
Edición
Pauicia Calderón Valdés
Verónica Rojas Luna
Con el 11guieme equ pode especialrstas:
Ayudante de Edición
Claudia Maurei,a Quintan]la
Colaboradores
Manuel Martinez Maithez
luis H. Tagle Domioguez
Corrección de Estilo
Isabel 5poerer varela
Asir d li>1nánde2 e.avo
Documentación
Rubén Alvarez Almarza
Paulina Novoa Veoturiro
Coordinación Gráfica
ca,lota Godoy Bustos
Diseño y Diagrarnación
Raúl Urbano Cornejo
Fotografías
Archivo fotográfico 5antilana
Ilustraciones digitales
Raúl Urbano Cornejo
Ca,los Utquiza Moreno
Cubierta
•~arieta Pireda Gálvez
O.1i"~ r9,.,Q~n,e1t-e p-.htlc.Js. .,., 1~ c1JW1t•~•~r 1:~ciu
ct ~ lialnrs cel Ccy,r,,~,1 . 3-?I.O ,n s¡1110~,,u ~svb•oc., ~r l;n h-/f'S_
b lll'fOt.h,«ó l l,;11,JI O ;)J' ~•, <I • f'.U tl4 -1¡;e, (IJ-lt;l,11!1 '9t:h:i O
p(~Clfl'ie-'Mo, <Cf"°l)'tr'(ll:!C6 a ,.,,n,goli;, 't fl t-at.arner;.,o; nfo-rr.a~co.
Jl' jlS'.!ltlC"' P1 f~l'f<"> .IPf'lilff't<:h1Wcl~1.i~ 6:)'('l.11"Xl ¡?d,1:0
02JC6. :i,, ~11LIL:,-.i.~ =-aotcoSA de :oo«,~. > ,,"lb~ ,:i,,¡,, • ·w,
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0 .11•!1:-<::t Wollc ~ A
tS,jU: 9i4Yh· '>' ?ll8 b;(r¡,_,,,-, I«' 'f,36~
-c.wwsir-ílNcl
Capitulo 1: Estructura de la materia
6
Tema
10 Prop1edaces cof193li'1Js
11 El aire
12 Propieda<!es del aire
1 la materia: sustancias puras y mezdas 8
13 ConIaminación aImosfé1iu
2 ~•ezclas: 1é<n,cas de separ!Kióo
10
14 l'l'es de los gases
3 Esiacos de la ma:c,ia y sus cambios
12
Ei<'<<iao>
14
4 Unidades de medida
s ,.,~, pe$0 y'-'01urwn
16 Capitulo 5: TermodinJmica
6 °"'sidad y wirpe<a\lJra
18
zo
E~ cicios
Capil~lo 2: Modelo atómico y enlaces 22
Tema
1 'íe01ias atómicas
2 t-lómero a1órnlco y ma-s.a. atómica
3 Números cu&micos
4 Moléculas e iones
fónnulas qi,1imicas
6 Tal)I;> peri<Wa de os u melllos
1 P1opied-0des ~ ,iódica">
s
8 Enlace químico
9 T,pos de enla<e
1 Qu'r1oy 1e-·1ncd1oám-ca
2 E"l!fgia. trabajo y ca lo,
3 Primer Pfincipio de la
Iermcd10.i111ica
24
4 E'll."l'g@ de l't'lact"
28
JO s E•,talpl~ estándar
32 6 L'I' de Hes>
)4 7 Segundo p1in(ipio de la
1ermodinan-ica
36
8
Energla llbrt de Gibbs
38
EjNciOOS
40
so
98
100
102
104
108
11 O
Tema
44
Caplrulo 6: Cinética y
48
10 G«>rr,et1ia fflOle<:ula,
11 Nomenclatura inorgánica
96
112
114
116
118
120
122
124
128
130
132
equilibrio qulmico
Tema
1 Veloockld de Ie-a<oon
S6 2 Orden de reacción
3 Me:anismos de <eacc,ón
S8 4 htctore'!t que afe<tan la veloc:,dad
60 s Equi ibño quln-i<o
62 6 P1incipioCe le Choltcher
Eje,cicioc,
6,1
54
Ejf'lciCiOS
Capitulo 3: Reacciones quimicas
Tema
1 Reacción química
2 E<uaclones qu;,, cas
3 Magnitudes
4 B.~anc• de ecuaoonos
s c,kulo estequ omél1ico
6 Reod,miento de cna reacción
7 T~ de re.KQOnM <;uill'icas
Ejefcicios
Capitulo 4: Estados de la materia
66
Capitulo 7: Reacciones ácido-base
68
70 Tema
72 1 Ácidos y bases
2 fueru r,la1ii,a de ácidos y wses
74 l P1op,edades aodo,base del agua
4
Te-ma
1 la li()Hcl
2 los mine,ale>
Concepto ce pll
76 5 Oisoludooes rcy~o,as
El ,velo
4 El agua
s Ptop,eéades •rs,cas del ag;t.
6 Composic,6o iómc.a y ocio agua
)
1 Contaminaoón del agua I
8 ();schJciC<t<S
g Concentración de las dk.9 ,oooes
j
1)4
136
138
"º
142
146
148
150
1S2
1S6
1S8
160
162
164
EjNcicios
78
82
84 Capítulo 8: Reacciones de
oxidación y reducción
166
90 1 Reaeóofle> de 6.údo-redu«ión
92 2 N;mcro te oiudac:ión
9,1 3 Ba anee de reaccone> ·ec'ox
168
110
172
86
88 Tema
4 Celdas eifc11oc¡u'mic.is
5 lipo, do celdas clectroqumcas
6 Corrosión }' electrólisis
CjerciaOi
Capitulo 9: Fenómenos nudeares
Tema
1
Emisio~ radiaclrl.>s
2 ReatciOi'.es 'i eo.JiKiones r.uclearcs
3 Es,abili<lad nuclear y fuerza nude.i<
4 RadiactMdad na11.1al
s Transmutación nuclear
6 ApliCdoon~s de la energ'a nuclear
7 Efectos de la radi.-.ción
8 lsóiopos rad,aC1i,,os
Ejerodos
174 Capitulo 12: Farmacologfa
176
178
180
Tema
1 farmacolO<Jia
2 Origen de los l~1macos
l
farmacocinélica: abso«ión {A)
182
4 Ois!Pbución (O) )' metabolismo (M)
• Ex<redón (E)
184
186
188
190
194
196
100
202
204
6
Farfl',acodlna:ria
7 Mecanismo de acción
8 farm.icodc~ cia
Mecanismo ele a<elOo de alg, nas
drogas
1O Tera¡ia g~ni,a
9
Ejtrcicios
capitulo 13: Procesos químicos
266
268
270
272
276
278
280
281
28<1
186
188
290
292
industriales
Capítulo 10: Qulmica orgánica
206
Tema
1
Química del carbono
Hibridaóón del álorro de <a!bono
los ma1erialts
G!l!pos fundonale>
108
210
212
214
218
lsomcrí.l
222 7 Productos i1dl6lfiales: et (obte
Hidrocarburos.
Nomendaw,ao,gá,nica
Reacbvidad é, compues1os or~nicos 224
O~plawmien10 eteeuón <o
226
lipos de reacciones orgánicas
228
Aplicaciones de ,ompuesios o,gán <os 230
11 1>el1óleo
232
._ Combustibles deri\'ados dff petróleo 234
usos del peu6 to y medio ambien1e 136
E)Mdci~
Capitulo 11 : Polímeros naturales y
sintéticos
Polirneros riaturak->
Upidos y proicín.as
Enzim~
2 P1opiedadcsy lip~ de ma1e-riales
3 Mart?riales sa'llfli(OS
4 ('..'ut'IOS matee.a-1~
5 lndostna quimica
6 Op1imización dt' un proouc10
8 El IJ"tróleo
9 M ntrales me1c11icos
10 M Offa!es no moM!icas
11 Produ<tos de ~intesis y coostrvc<ión
12 Contaminadón industrial
E_jc1<icios
194
2%
298
300
302
304
306
308
310
312
314
318
320
238 Anex.os
242
Hitos en la histo1ia de &a quin1,,ca
Reseña hisrMca de p,emios Nobel
Maie<iales de laborator,o
244
246
Hornas de segu1idad
e,.n e. laboratorio
lnd<e alfa~i.o de comen,dos
252
Tabla 1>e1iódica do lo, e',menios
Ácidos nucleicos
2$4
qulmicos
PoFMeros Si'"téticos
2$6
Bi~liogtafía
Proceso de polimeti?ación
1S8
Codificaóón de oolímeros y sil con.os 262 Desplegable
Ejeracios
264
322
326
330
331
332
336
337
338
a
Estructura de la
materia
a materia, constituyente de todos los cuerpos, fonna distintos
tipos de sustancias, las que pueden ser puras o mezclas, y
tenec variadas formas, tamanos o estados físicos. Por ejemplo, se pueden ver grandes cúmulos de materia en las pir~m1des, peque~as cantidades en un lápiz y una cantidad casi imperceptible en un grano de
sal; incluso el a<1e, que no se puede ver ni tocar. est.l formado por
materia. Pero ¿cómo se mide la materia?
a
Desde tiempos muy remotos han existido distintas formas de medir la
matena. los grregos, por ejemplo, utilizaban su cuerpo como unidad
de medida, asi el estadio era una unidad deJ_ongitud que equivalía a
125 pasos, y para medir el alto, los romanos usall~ el codo. que equi•
valla a 444 mm. Actualmente, se utilizan unidades:como el metro y el
gramo, establecidas convencionalmente par¡¡ que puedan ser usadas
en todo el mundo.
Organización de los contenidos
Materia
M tancias putas
elementos
e
tm?ZciilS
compuestos
J
estados de la materia
I
sólido
homogéneas
r L
líquido
teoría cint?tica
molecular
gas
,
p<op,edades
caracteósticas
Pfop!edades
generales
volumen
1emperatura
ml
'(
técnicas de separación
de mezclas
unidades St
1
gtcml
j
11 materia: sustanc::ias
mezclas
La
Concepto de química.
La química es una ciencia
experimental que esiud'a la
mate,ia: su composición, sus
caiac1erislicas, las
transformaciones naturales y
artificiales que puede
experimenta, y las leyes que
rigen estos cambios.
Materia
Por definición, materia es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en
el espacio. Desde el punto de vista quimico (composíoón y tamaño de
las partículas). pue~e presentarse como una sustancia pura y como
mezcla de sustancia'
.,/
Sustancias puras
• Tienen una composición deíinida y co1111ante. con propiedades f~icas y
químicas caracteristicM..
• No pueden descomponerse en otias más simples por métodos físicos.
• l as sustancias puras pueden 1epresenta1se po, slmbolos o fó1mulas
químicas.
Ejemplos: el cobre (Cu))' el agua {H2O).
Elementos qufmicos
• Se constituyen por átomos de la
misma clase.
• No pueden se, de1<ompuestos en
sustaocias m~s simples por
métodos lisicos o quimi<os. Solo
en algunos casos pod1ían
separarse mediante radiación.
• Se representan por símbolos
quimicos.
Ejemplos: et cobre {Cu) y el
aluminio (Al).
Compuestos químicos
r• Están to,rnados por átomos de
dos o más elementos unidos
mediante enlaces químicos, en
propc<ciones definidas {cantidades
fijas yexactas).
• Pueden ser descompuestos en
sustancias más simples por
métodos químicos.
• Se repiesentan poi ló1mulas
químicas.
Ejemplos: el agua {H2O) y la sal
de cocina (NaCI).
Azufre,.
Sulfuro de hierro (lt).
Hierro.
Mezclas
■ Son una combinación de dos o más sustancias que no reaccionan emre si.
es decir. cada sustancia conserv.i sus propiedades características.
■ Pueden ser separadas por mé,odos físicos.
• No se represeman mediante símbolos o fórmulas.
Ejemplos: las beoidas. la sangre, el aire.
Mezclas heterogéneas
Í
• Sus componemes no estiln
uniformemente distriooidos.
• Los componentes conservan sJs
propiedades indil'iduales.
■ Entre las mezclas hete1ogéneas se
encuentran las suspensiones y los
coloides.
Ejemj)lo: el aceite con agua.
1
J
Mezclas homogéneas
■ Suscomponentes est.ln
distribuidos de manera uniforme.
■ Cada porción de la mm la ~
idénticas propiedades.
■ Son 1ambién llamadas
disoluciones quimicas.
Ejemplos: las bebidas y el agua
potable.
Suspensiones
■ El tamaño de sus parlículases> a 10·5an.
• Sus componentes se pueden separa,
por los métodos fisicós de filtración o
centrifugación.
e
Ejemplos: la sangre o algunos medicamentos.
Coloides
• El tamaño de sus particulas se Ef\cueitra emre
10·5- 10·1cm.
■ Sus co~>onentes se pueden separar po,
el método fisico de eX1r,cción.
Ejemplos: las jaleas. las espumas y los geles.
Disoluciones químicas
■ El tamaño de sus partículas es< a 10'7 cm.
■ Sus componenies se pueden separar por
dh•ersos métodos como destilación. extracción
por solvemes, p1ecipi1ación selectil'a,
a omatografía.
Ejemplos: las bebidas. la 01 na, el aire.
•
Propiedades de la
materia. l asprnpiedados de
la ma1e1ia pueden m
generale-s o carat1eris1i<as.
Las propiedadC$ generales no
permi1en d stinguir una
sustancia de otra. por
ejemp o, la masa o el
vo'umen. las prop edades
<aracterlsticas son propias de
cada susiancia. por ejemplo,
la densidad o el punto de
fusión y de ebullición.
-•--
Mezclas: técnicas de se aración
Embudo: material de vidrio
usado en Ll filtración.
Embudo de decantación:
se uliliza para separar
mezclas no miscib~. la llave
deja caer el líquido más
denso.
Tamiz: es un cedazo mw
tupido usado para separar
sólidos de dis1intos tamaños.
Vaso de precipitados: se
usa para mezdar f calentar
sustancias.
Filtración
Permite separar un sólido que no s soluble
eo un liquido. En este caso, el sóli o queda
retenido en el papel fihro y el liquid
cae en el recipiente.
Va10 de precipitados
Acondicionamiento del
papel filtro.
• Se corla un circulo de rnás
o menos 10 cm de diáme110.
• Se dobla por la mitad y se
vuelve a doblar dejando un
espacio entre las puntas. Al
abrirlo se tendrá un cono.
• Se coloca en el embudo.
Para que se ad1ie1a a es1e. se
deja escurrÍI' agua destilada
por el borde. En disoluciones
otgán·cas solo se deja escurrir
el disolvente.
Decantación
Técnica usada para separar líquidos
no miscibles. En la parte inferior
queda el liquido mils denso,
el cual se separa abriendo
la llave del embudo.
Embudo de
decantación
Tamiz
Tamizado
Se utíhza para separar sólidos de drsiintos
tamaños. Para la separación, se pasa la
mezcla a 1ravés de un tamiz•
Destilación
Se utiliza para separar líquidos miscibles o un sólido disuello en un
líquido. Esta técnica se realiza de acuerdo al punto de ebullición de los
componentes, los que deben ser not0<iamente distintos.
Salida de liquido
11
1 Refrigerar-te
Soporte
universal
-
~ /
-Matraz
de balón
Soporte universal: se
uliliza para el montaje de
sistemas e,per~ntal~
Refrigerante: se usa pata
condensa, los v.lpores que se
desprenden en a destilación.
Matraz Erlenmeyer: se usa
para trabajar con disoluciones
líquidas.
Papel filtro: es un medio
adsorbenle.
Manaz
Erlenm~r
Me<hero
Enuada de líqu do (generalmente agua)
Evaporación
Técnica usada p,ira separar mezclas líquidas. En este caso, se
evapora el disolvente quedando
et sólido en el íondo del recipiente.
Cromatografla
Separa la mezcla al hacerla pasar
por un medio adsorbente (adhesión a una superficie). La cromatografía de papel utiliza como medio
adsorbente papel filtro. los componentes de la mezcla se separan de
acuerdo a las afinidades que presemen con el papel l,ltro o el disolvente.
Tipos de cromatografias.
Existen distintos 1ipos de
cromat091afla~ por ejemplo,
la cromatograffa de llquidos
(HPLC) <1ue se utiliza en la
induSlria farmacéulica para
separar. iden:i~car y
cuan:ificar componentes de
produc1os qu'micos y en la
industria de los alii:-entos
para la de1ección, separació~
y cuanlificación de
compueitos vo'áti•e~ toxinas,
plaguicidas y pesticidas.
11 ktádos di la materia sus cambtos
Diagrama de fases.
Entrega inf0tmacióo para
saber el es1ado en que se
encuentra una sustancia.
Diagrama del agua:
P(atm)
··-¡·-
1~'
0.006 ---
g
1
0~,01
100 T('C)
Las lineas conlinuas delallan
las condiciones de
temperatura)' pre$ión en las
cuales pueden coexistir las
fases en equilibrio. En el
punto triple coexislen en
equilibrio las tres fases.
Estados de la materia
la ma1eria puede existir en estado sólido. liquid~aseoso. ,la diferen•
coa entre ellos está en sus propiedades, las que se expli<an-med,ante la
teoría cinético-molecular de la materia. Esta se basa en lo siguien1e:
• La materia está formada por pequeñas particulas que están en continuo movimiento.
■ Entre las partículas no existe ningún otro lipo de materia, hay vacío.
■ Entre las particulas hay fuerzas de atracción, las que determinan si
se encuentran separadas o no y si pueden mezclarse. De acuerdo a
la intensidad de estas fuen:as, es el estado en que se encuentra la
materia.
Que una sustanoa se encuentre como sólido, liquido o gas depende:
■ de las características de cada sustancia. Estas caracterfsticas dependerán de los átomos que la formen y cómo estén unidos.
■ de la temperatura a la cual se encuentra la sustanc,a, ya que al
calentarla puede transformarse.
■ de la presión. Si la presión a la cual está sometido un gas aumenta.
es posible licuarlo sin modificar la temperatura.
Sólidos
- las paniculas se enruentran
lueitemente unidas entre si.
- Ocupan posiciones fija~ por lo que
,son rigidos.
- Las parliculas solo ,óbran en su
lugar, no se despl.Jzan.
- Los sólidos 1ienen masa definida,
volumen constante y no pueden
comprimirse, expandirse o fluir.
11
liquidas
Gases
• l.as partículas están separadas por
- las panla•as se encuentran
unidas por fuerzas de mediana
grandes disl<lncias, por lo que las
intensidad; por lo que se encuentran fuerzas de atracción son muy débiles
o no existen. se mue•1en en forma
un poco más separadas, logrando
deslizarse unas en11e otras.
independiente.
- los liquidos se adaptan a la forma - Los gases se adaptan a la forma
del recipiente que los contiene.
del recipiente. lienen ,nasa definida,
tienen masa definida, volumen
~ ro rw¡ ~querla para su gran
constame y Huyen con facilidad. No volumen, se comprimen, expanden y
pueden comp1im1rse ni expandilse. fluyen.No tienen
volumen fijo.
Cambios de estado
La vaporización. La
Los cambios de estado se producen por absorción o liberación de
vaporización puede ocurrir de
dos maneras. por evap01ación
o ebullición. la evaporización
se produce cuando et l~ido
energla, generalmente en forma de calor. Cuando un sólido absorbe
calor, aumenta la energla cinética de las moléculas, venoendo las
luerzas de cohesión y produciendo el paso al estado liquido. Si se sigue
entregando calor al lfqu,do, se incrementa la energla cmél1Ca, se
rompen completamente las fuerzas de cohesión y ocurre el paso al
estado gaseoso.
está a cua!quier temperatu1a.
El paso al estado gaseoso
ocurre solo en la superficie
del líq<>do, por lo que es
lento y ordenado. la
ebullición se produce
únicame11te a la temperatura
de ebulición y ef cambio
ocurre en toda la masa del
líq,,-do. poi lo que es rápido
y agitado.
Los cambios de estado que se producen por absorción de energía se
llaman cambios de estado progresivos; en cambio, los que se producen
por liberación de energla se llaman cambios de estado regresivos.
Estado gaseoso
Estado sólido
Solidificación
Fusión
Las flechas rojas indican cambios de estado progresivos, y las azules,
cambios de estado regres,vos.
m
Unidades de medida
Normas SI para la
escritura de las unidades.
• l os nombles de las
unidades se eser ben
siempre en minúscula.
Por ejemplo, kilog·amo.
• Cada unidad llene un
símbolo y no se debe usar
otro. Po• ejemplo:
kilogramo ~ kg
• Si el símbolo prOYiene de
un nombre propio (Newton).
se escrib€ con mayúscula. Por
ejemplo: newton = N
• En el ca50 de que el
símbolo no proceda de
ningún nombre propio, se
escribe con m·nuscula.
Por ejemplo: metro ~ m
• los. s'mbolos. se esaiben
siq punto liMI y no cambian
en plural.
Unidades de medida: SI
Para medir las d1St1ntas magnitudes que se uhlizan a diario se ha propuesto el Sistema Internacional de Unidades (SI}; así se ha
un
lenguaje universal.
(
c,,ado
'
tas unidades fundamentales del St son:
Unidades SI básicas
Medida de:
Nombre de la unidad
Simbolo
longitud
metro
m
masa
kilogramo
kg
hempo
segundo
s
temperatura
kelvin
K
l as unidades SI se basan en un sistema de medida decimal, es de<ir, se
relacionan entre si decimalmente. Por ejemplo, se sabe que si se dice
un kilogramo (kg) se está indicando 1.000 gramos (g), ya que el prefi¡o ''kilo" significa mil. Así, la unidad kilogr¡imo se puede usar como
referencia para expresar masas más grandes o más pequeñas, por
ejemplo, toneladas (1.000 kg) y gramos (0,001 kg). Otros prefijos se
muestran en la siguiente tabla:
Prefijos usados para unidades SI
m
Prefijo
Significado
Ejemplo
mega-
t.000.000
megámetro
kilo-
1.000
deci·
0, 1
centi·
0,0 1
centímetro
mili•
0,00 1
milimetro
-
kílómeuo
decímetro
Notación científica
la no1aci6n c,enllfica se utiliza para trabajar con números extremadamente grandes o extremadamente pequenos, según la siguiente fórmula:
Donde: a es igual a un número entre 1 y IO.
b es un número entero positivo o negativo.
Si un valor es muy grande, se corre la coma decimal hacia la izquierda
hasta que el valor esté entre 1 y 1O. En este caso, b es positivo. Por
ejemplo:
354.000 : 3.54 X 105
Si un valor es muy peque,,o. la coma decimal se corre hacia la derecha
y b es negativo.
0,000000058 = 5,8 X 10·8
Reglas para determinar
cifras significativas.
• fodo número distinto de
Oes significativo. 25 m tiene
2 cs.
• Ceros enue números son
sign ficatcvos. 31,084 cm
1,ene S cs.
• 5' los ceros están a la
izquierda de los números. no
son significativos.
0,000043 mg tiene 2 cs.
• S eS1án a la deiecha del
número, son significativos.
30.1 65 g tiene 5 es
• S los ceros eS1án después
de los ..:meros pueden se, o
no cifras sign·ficat•vas En
este caso se recom'enda la
notación cientifica. 4.000 s~
expresa como 4 x t03.
Cifras significativas
Para 1nd1car el margen de error que existe en las mediciones, se debe
señalar el número de cifras significativas (es), que son los dígitos signif,catll'os en una cantidad medida o calculada. Ejemplos de cifras significativas son:
■ Al medir la masa en una balanza {ver p. 16). se pueden obtener
hasta cinco c,lras significativas.
m = 0,9543 g (cuatro cifras significativas)
m = 2, 1587 g (cinco cifras significativas)
■ Cua~do se utilizan probetas o pipetas para, medir volúmenes de
líquidos. el margen de erro• v,ene indicado como :1: O, 1. A este margen de error se le llama incertidumbre. E¡emplos:
V = 7 mL con una incertidumbre de ± 1. Significa que el volumen
real está entre 6 y 8 mL. La cantidad se expresa: (7 :t 1) mL.
Para redondear un
número. Primero se debe ver
hasta qué val0< se desea
redondear. Luego, si el -,¡¡lor
es menor a 5 se eliminan los
dígitos que siguen y, s es
igual o mayo1a S, se
aumenta en un valor. Poi
e¡emplo, se desea deja, con
tres dfr~ signific.ali\1as:
4,85369 se redoodea a 4,85
V = 7 mL con una ,ncerlldumbre de :t O, 1. Significa que el volumen
real está entre 6,9 y 7, t mL. la cantidad se expresa: (7 :t O, 1) mL.
6,54892 se redordea a 6.55
11
B
volumen
Masa
Cuerpo. Es una po1ó6n de
matena. Puede en<011trarse
en estado sólido, liquido o
gaseoso. Un cuerpo está
fo1mado P0f mate1iales de
igual o diferente dase.
Masa
La masa es la medida de la cantidad de materia que tiene un cuerpo.
Su unidad de medida SI es el kilogramo (kg) y el instrumento para
medir la masa de un cuerpo es la balanza. Existen distintos tipos de
balanzas:
• Balanzas granatarías: la masa se mide por
comparación con otras masas, que se
presentan en pesas de distintas cantidades.
• Balanzas digitales: son electrónicas y las
más utilizadas en los laboratorios, ya que
son precisas y cómodas.
l
Unidades derivadas del kilogramo
Sfmbolo
Ejemplo
elefante
Masa y peso. Un awonauta
tiene la misma masa si se
encuentra en la Tíena o en a
Luna. Sin embargo, su peso
es meno, en la luna.
ki1og1amo
kg
computado,
gramo
g
lápiz
miligramo
rng
91anos de sal ]
Diferencia entre masa y peso
La masa y el peso se usan comúnmente como sinónimos, sin embargo, son magnitudes distintas. El peso (o fuerza de gravedad) es la
fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo hacia su centro (P = m x g).
Este depende de:
■ fa masa del cuerpo; en general. a mayor masa mayor es el peso.
• fa distancia a fa que se encuentre el cuerpo del centro de la Tierra.
Mientras más cerca se encuentre un cuerpo del centro de la Tierra,
mayor será su peso.
m
La unidad de medida del peso es el newton (N) y se mide con un instrumento llamado dinamómetro.
Volumen
Metro cúbico. El cubo mide
1 m de la1go, 1 m de ancho y
El volumen es la medida del espacio que ocupa un cuerpo. Su unidad
de medida SI es el metro cúbico (m3), sin embargo, a menudo se usa el
1 m de alto. Su vo'umen es
1 metro cúo:co. Según:
litro (L).
~m x1 mx t m=t mj
La temperatura influye sobre el volumen de los sólidos, llqu1dos y
gases:
■ s, esta aumenta, los sólidos y los I/quidos se dilatan ligeramente.
• Si disminuye, tos sólidos y los líquidos se contraen.
En los gases, la influencia de la temperatura es muy importante. por lo
que se verá más adelante en las leyes de los gases (ver p. t 04)
M idiendo volúmenes
Existen d iferentes formas de medir
volúmenes. Para medir el volumen
de:
• un llquido, se deben utilizar instrumentos como: probeta, pipeta,
matraz de aforo o vasos de precipitados.
■ un sólido irregular, se utiliza el método por inmersión en agua. Así,
el volumen del sólido será la difereneta entre el volumen final (2),
que se mide cuando el
objeto está dentro de
la probeta, menos el
1
volumen inicial ( 1).
Si el cilio se div de en
1.000 cubitos. e.ida uno
¡pedirá 1 decímetro cúbico
(dm3). y si un cubito se vuelve
.i dividi" en 1.000, se obtiene
1 centimeuo cúbico (cm3).
t dm3 =
1L]
¡ 1 cm3 = 1 ml
!
~
=
v, - -
Uso de la probeta.
• Se ubica la p1obeta en
• un sólído geométrico de forma regular, se aplican fórmulas matemá•
ticas.
V= al
una suoerficie lisa e inmóvil.
• Se agrega la muestra.
• El obser,1ad0< ubica su
mirada Iusto frente al
men'sco, que es la curvatuta
que í0<ma un liquido.
• Se lee el volumen en la
escala graduada bajo la
cun•aluta.
11
11 Densidad
Corcho y hierro. Cada uno
de los bloques tiene la misma
masa. 1 kg. Pero el hierro es
mucho más der,so <p1e el
cercho, p0< tanto, et bloQue
de hierro es mucho mas
pequño.
eratura
Densidad
La densidad es la relación que existe entre la masa y el volumen de un
cuerpo. Su unidad en el SI es el kglm3, sin embargo, como son muy
grandes, se usa glcm 3 La densidad se calcula a través de·
densidad =
1
n;asa 1
vo umen
o
Como es una propiedad caracterlstica de la mater,a:cal!i\. sustancia
tiene su propia densidad. Esto permite d lerenc,ar una sus\~nc,a de
otra.
)
''
Midiendo densidades
Para obtener la densidad de un sólido, se debe medir su masa y calcular el volumen usando alguno de los métodos conocidos, como por
inmersión en agua o fórmulas matemáticas.
1. ¿Cuál es la densidad del objeto problema?
380
Objeto problema (,,...~
,
~
L
~J[ _
25g
6g
_
V = 11 8mL~
_.
Objeto
oroblema
Con la balanza determinamos su masa: en este caso, 4 11 g.
m = 380 g + 25 9 + 6 g = 411 g
Como es un sói do irregular, el -.olumen se calcula por inmersión en agua:
V =V, - V, =164 mi. - 118 ml = 46 ml = 46 cm 3
Apl'ca!ldo la lórmu a matemática queda:
d
=!!: - 4H g
V
46cml
g
89
d = • cm3
Lo aue signilica que 8,9 9 ocupan un '/Olumer de 1 cm3 o 1 crn 3 del objeto problema tiene una ma$a
de 8,9 g.
m
Temperatura
La temperatura es la medida del grado de movimiento (energía onética) de las particulas de un cuerpo. Su unidad en el 51 es el kelvin (K).
Sin embargo, se mide generalmente en grados Celsius ("C}. El instrumento que se utiliza para medir la temperatura es el termómetro. Las
tres escalas usadas son:
■ Escala Celsius. En esta escala, el grado Ose sitúa en el punto donde
el agua se solidifica, y el grado ·100, en su punto de ebullición.
■ Escala absoluta o Kelvin. Esta escala fue Cteada por lord Kelvin, quien
encontró que había un límite iníenor de temperatura pOf debajo del
cual no podían enfriarse los cuerpos, es decir, es la temperatura teónca más baja posible. Este limite corresponde a -273, 15 °C, y Kelvm
lo denominó cero absolu10 (O K).
Para expresar en K una tempera1ura entregada en •e se emplea·
T = (t + 273, I S)ºC x
+re-
simplificada será T = t + 273, 15 J
■ Escala Fahrenheit. En esta escala, el O °C corresponde a 32 º F, y
100 ºC equivalen a 212 ºF. Para expresar en •e una temperatura
entregada en ºF se emplea la siguiente fórmula·
Lord Kelvin. William
1homson (1824-1907) fue
P'Ofesor de física en la
Uni•,ersidad de Glasgow. A
los 34 años fue nombrado sir
í' a los 64 años lord. El mismo
propuso el lílulo de ' l0<d
Ke vin". en recue1do de un
pequeño rio, sobre CIJ'fil
ribera está la Voive,sidad de
Glasgow.
t (ºC) = t (ºF) - 32
1,8
~
Ejercicios resueltos
1. Expresar una temperatura de 32 º C en la escala de Kelvin.
Según la fó·mula, sabemos que:
T= t.273. 15
T: 32 + 273, 15
T :305,15 K
2. Expresar una temperatura de 341 K en la escala Celsius.
Despejardo t de la fó,mu•a, nos queda:
t = T- 273. 15
! =34 1- 273, 15
t = 67,85 ºC
11
Ejercicios
1. Clasilícar las siguientes sustancias puras
7. Transformar a grados Celsius (ºC) las
como elementos o compuestos químicos,
siguientes temperaturas:
a. Mercurio.
a. 325,15 K.
b. 95 Of.
c. 262, 15 K.
b . 8,carbonato de sodio.
c. Azúcar.
2. Clasificar las siguientes sustancias en mezclas
homogéneas y heterogéneas.
8. Explicar:
a. ¿Pot qué el vapor de agu~s
una
a. Roca .
b. Bronce (aleación de metales).
c. Flan.
3. Indicar un ejemplo cotidiano en el que se
sustancia pura?
b. ¿ Por qué el aire es una mezcla.
9. Indicar la técnica adecuada para separar las
siguientes mezclas.
utilice la técnica de:
a. Sal disuelta en agua.
a. tamizado.
b . decantación.
c. foltraci611.
4. Clasificar los siguientes cambios de estado en
progresivos o regresivos.
a. Evaporación de la acetona líquida.
b. Fusión de un trozo de chocolate.
c. Condensación del vapor en los vidrios de
un ba~o.
S. Expresar en notación científica:
a. 0,000548.
b. 8 . 540.000.
6. Transformar la masa de una persona de 74 kg
en su equivalente en:
a. gramos.
b. milig,amos.
c. toneladas.
Datos: 1 ton : 1.000 kg: 1 kg = 1 000 g;
1 g : 1.000 mg.
m
b. Tinta.
c. Arena con piedrecillas.
d. Agua con aceite.
e. Alcohol disuelto en agua.
10. Indicar una propiedad que caracterice el
estado sólido, líquido y gaseoso.
11. ¿Cuál de las siguientes frases es correcta?,
¿por qué?
a, El peso de un estudiante es 58 kg.
b. La masa de un estudiante es 58 kg.
12. ¿Qué sucede con el volumen de un cuerpo
sólido si aumenta su temperatura?
13. Indicar la técnica más adecuada para medir
el volumen de:
a. un cubo.
b, un trozo de plasticina.
c. 100 ml de agua.
14. Calcular.
a. El volumen de un balón de gas licuado
de 15 kg.
Dato: en estado liquido. 1 lit,o de gas
licuado tiene una masa de 500 gramos.
b. la densidad de un cubo de alumin,o de
1S cm de lado y una masa de 8.775 g.
c. la densidad de la T,eHa considerando su
volumen como una forma esférica
regular.
Datos: radio de la Tierra= 6,38 x 106 m.
Masa = 5,98 x 10 2• kg.
15. Responder.
a. ¿Qvé condiciones perm,ten que el agua
de mar se encuentre en estado liquido?
b. ¿Cómo se producen los cambios de
estado?
c. ¿Qué sucede con la masa y el peso de
una persona si sube a la cima de una
montaña?
d. Se tiene una sustancia de masa 324 g,
un volumen de 78 cm 3 y una densidad
de 4.1 5 gtcm3. ¿Cu~I de estas
carac1erfsticas permite reconocer
directamente la sustancia?
Solucionario
1. a. Elemenio. b. Compuesto. c. Co~uesto.
2. a. Heterogénea. b. Ho111ogénea. c. Heterogénea.
3. Pot ejemplo: a. Al colar los tallarines del agua. b. Oecantación del agua pOlable. c. filtración del agw de piscina.
4. a. P,ogresi\'o. b. Progreswo. c. Regresil•o.
5. a. 5,48 x 10-4. b. 8,54 x 106.
6. a. 74.000 9. b, 74 x 106 mg. c. 0,074 ton.
7. a. 52 •c. b. 35 ' C. c.-11 °C.
8. a. Porque es1á compues1a solo por moléculas de agua, las cuales tienen compos·cióo definid.i.
b. Porque es1á compuesto por una mezcla de elementos, por e1emplo el nitrógeno y oxígeno.
9. a. Evaporoción. b. Cromatografía. c. Tamizado. d. Oecanlación. e. Desrlación.
1O. Las partículas de los sólidos ocupan posio ones fi¡as; de los líquidos pueden deslizarse: y de los gases se
separan por grandes distanóas.
11. Es correcta la frase b. ya que la masa mide la cantidad de materia que tiene un cue<po.
12. Al aumentar la temperatura de un sólido. esle se diata lige,ameme.
13. a. Por í6fmulas matemáhcas. b. Método po, inmersión en agua. c. Utilizando instrumentos como la probela.
14. a. 30 l. b. 2,6 9'cm3• c. 5.486.24 kgtm 3.
15. a. Las caracte,íst1cas de las sustancias. la 1emperatura y la presión. b. Se p<oducen po, abSO<ción o liberación
de calo1. Por ejemplo. un liquido al absorbEr calor aumenta la energía cinética venciMóo I01almen1e las fuerzas
de cohesióo y pasando al estado gaseoso. c. La masa no "arla porque mide la canIidad de materia que hay en
oo cuerpo. En cambio, el peso disminuye po,que se encuenua más alejado del cenuo de la 1ierra.
d. La densidad permite reconocer di1ec1amente una sus1ancia, porque es una propiedad carae1eris1íca de la
ma1eria. por lo tamo, es l)(Opia de cada sus1ancia.
111
Modelo atómico y
enlaces
1"11a curiosidad e interés por saber de qué estan hechas las cosas
1.:1 ha inquretado siempre al ser humano. Los primeros intentos
por explicar la composición de la materia se remontan a la época de
los filósofos griegos. Entre los años 492 y 432 a. C., Empédocles, un
crentifico griego. planteó que la materia es1aba compuesta por cuatro
elementos: tierra. a,re, agua y fuego. A partir de esta teorfa, la ciencia
pudo explLcar cómo algunas sustanc,as que pareclan puras, en realidad
eran una combinación de estos "elementos" .
Cas, 2.000 anos después. John Dalton retoma el tema y plantea la primera teoria atómica moderna. en la que establece que toda la matena
está formada de partículas ind~,isibles llamadas átomos. Este acontecí•
miento orientó hacia nuevos estudios y d,o origen al desarrollo de diversas teorías atómicas hasta llegar al actual modelo mecano-cuántico.
11
11
■ Organización de los contenidos
Sustancias puras
átomos
elementos
núcleo
neutrón (n)
coofiguracióo
electrónka
tabla
electtón (el
estructura atómica
modelos
atómicos
símbolos
envoltura
pefiódica
molecular
iónico
empírica
propiedades
periódicas
covalente
metálico
Naturaleza eléctrica de la
materia. Los avance.. sobre
la estructura ·nterna de los
átomos pro.ienen de
esiudios rela<ionados con la
naturaleza eléctrica de la
materia. Ali, se podla explicar
po, que algunos cU<?<pos al
ser frotados adquieren caI9a
elécuica.
Experimento de Thomson.
>\I ceirar el circuito se obseiva
el paso de cortiente eléctrica
a ua•,es del gas que es«\ a
baja presióo. al mismo
tiempo que se desp,enden
•rayos" desde el cátodo
haóa el ánodo, observándose
en las paredes opuestas Utlil
fluorescencia. la que se
observa por una pantalla
cubierta de sulfuro de zinc.
Los ,ayos catód,cos son
desviados en presencia d~
un imán. lo que confirma Ll
carga negativa:.
m
Teoría ató mica de Dalton
En 1803, John Dalton {1766-1844) formula su teorla atómica:
■ Toda la materia está formada por partículas llamadas átomos. Los
átomos son extremadamente pequeilos e ind,vis,bles.
■ Los átomos de un mismo elemento son 1dén1,cos entre si, tanto en
,nasa como en propiedades químicas y f!sicas.
■ Los átomos de elementos diferentes son d>Slinr ~n masa y prop,e•
dades.
\
■ los compuestos se foIman por la unión de átomos\~iferentes y se
combinan en razón de números enteros y sencrllos. ,/
■ En las reawones químicas solo existe un reordenamiemo de áto•
mos.
Modelo atómico de Th omson
En 1903, Joseph Thomson ( 1856· 1940) postula que el átomo es una
esfera compacta cargada positivamente sobre la
cual se ,ncruslan los electrones. Como se
sabía que los átomos poseían electro•
nes y eran eléctricamente neutros,
el número de cargas negativas
clebla ser igual al de cargas
pos1ti,,as. Este modelo es cono•
c1do como "budln de pasas·
Descubrimiento del electrón
En 1897, Thomson demostró, en un tubo de oescarga, la existencia de
partlcutas mucho más pequeñas que el átomo, cargadas negaltvamente. a las que llamó electrón (e"). Aclemás, determinó la relación entre
la carga y la masa de dicha partícula demostrando que era constante
e ,ndepend,ente del me1al de que estuviera hecho el cátodo. luego,
Roben Milltkan. a partir de la relación, calculó la masa del electrón.
que es 9, 10 x 10· 28 g.
Experimento de Rutherford
En 1910, Ernest Rutherford (1871-1937). junto con Geiger y Marsden,
propus1emn un nuevo modelo de átomo. Bombardeando una fina
lámina de oro con partlculas a. observaron lo siguiente:
Descubrimiento del
protón. A fines del siglo XIX,
Eugen Goldstem (1850-1930)
cemostró la existencia de
p<otones vt,lizando un tubo
de rayos catódicos
modificado. Así obseNó
que, además de los rayos
catódicos. existen unos rayos
que se p¡opagan en sentido
cont,ario, los llamó rayos
canales.
■ La mayorla de las particulas atravesaban la lámina sin desvía™! o
con una ligera desviación.
■ Una ~quena fracción era desviada con ángulos muy grandes.
■ Solo algunas rebotaban en la lámina hacia la fuente radiactiva.
Modelo atómico de Rutherford
Rutherford estableció que el átomo estaba formado por:
■ una región central. muy pequeM. llamada núcleo. en la cual se
concentran las cargas positivas y la mayor parte de la masa del
átomo.
■ El resto del átomo es un espacio prácticamente vacía. Esta zona
ocupa la mayor parte del volumen del álomo.
■ El átomo es neutro, pot'que tiene el mismo número de cargas positivas en el núcleo y de cargas negativas girando alrededor de él.
Descubrimiento d el neutrón
Las observaciones de Rutherford y otras experiencias afirmaron la pre•
sencia de cargas positivas en el núcleo. a las que llamó protón (p•¡, sin
embargo, esta confirmación no explicaba la diferencia en las masas de
algunoo elementoo. por lo que debía e~istir otr.-i partkula en el núcleo.
En 1932, James Chadw,ck (1891 • t 972). al bombardear una lámina de
berilio con partículas a, comprobó la emisión de particulas de muy alta
energía y eléctricamente neutras. A esta partícula la llamó neutrón (n).
Partículas elementales
Partícula
Masa (g)
P1otón (p' ) 1,673 x 10· 24
Neutrón (n) 1,675 x 10·24
Electrón (e ) 9, 10 x 10·1a
11
Postulados de la flsic.,
clásica.
• Toda par1/rula acelerada.
como el electrón cuando gira
sobre su óroíta, dclle perde,
energia continuamente po,
emisión de energía ,ad ante.
• El electrón, al perder
energía, seguirá una
uayectoria en espi,al,
acercánd~ cada ~z más al
n,Jcleo, hasta caer sobre él.
Esto no sucede, ya que los
átomos son estables.
Modelo 316mito df llohr p;ira el
! tOMo de h<Mgeno.
Modelo atómico de Bohr
Tomando los postulados de la física dásica y basándose en la teoría
cuántica y el efecto fotoeléctrico, y en estudios del espectro atómico del
hidrógeno, N1els Bohr (1888-1962) propuso su modelo de átomo:
■ El átomo está formado por un núcleo positivo y una envoltura
donde giran los electrones.
Los electrones solo pueden desc11bir órbitas circulares de~ o esta•
ble alrededor del núcleo. Cada órbita corresponde a un ~el de
energia permitido. Los niveles de energía (n) se representan por los
números ·1. 2. 3 ... comen2ando desde el núcleo hacia fuera.
■ Mientras un electrón esté girando en su nivel. no absorbe ni emite
energía. Cuando el electrón eslá en el nivel de energía más bajo se
encuentra en estado fundamental, posee menos energía.
■ Si el electrón absorbe suficiente energía externa. puede
pasar a un ni,,eI de mayor energla. Se dice que el átomo
está excitado.
■ Cuando un átomo excitado regresa a un nivel de menor
energía, emite energla radiante (fotón).
■ El número máximo de electrones en un nivel de energía
se calcula según: 2n2• donde n es el nivel que se está
considerando.
■
Teoría cuántica y efecto fotoeléctrico
En 1900. lvlax Planck (t 858-1947) planteó que los átomos y las molé•
culas emi,lan o absorblan energía solo en cantidades discretas. A esa
mlnima car,t1dad de energía emitida o absofbida en forma de radiación
electromagnética. la llamó cuanto. Un cuanto se calcula según:
Efecto fotoeléctrico.
Cuando un haz de luz de
cierta frecuencia <ae sobre un
metal, este emite electrones.
Estos son atraídos hacia el
electrodo positivo. formando
un flujo de corriente eléctrica.
Según Einstein, un rayo de luz
t?$ en real dad una coriierite
ce dim·nutos paouetes de
ese,gia, a los 1Iue llamó
fotón.
[E = hv
donde:
h = constante de Planck = 6.63 x 1 o·34 J. s
v = frecuencia de la radiación
Cinco a~os después. Albert Einstein (1879-1955). tomando en cuenta
lo propuesto por Planck, explica el efecto fotoeléctrico, propiedad que
presentan algunos metales de emitir electrones cuando ,nc1de sobre
estos una luz de determinada frecuencia.
Diagrama de energía para
Modelo atómico actual
átomos que tíenen más
Este modero se basa en el principio de dualidad onda-corpúsculo y en
el principio de incertidumbre de Heisent>erg.
■ En 1924, Louis de Broglie (1892-1 977) concluyó que las ondas se
comportan como partlculas y que estas muestran propiedades ondulatorias. lada partícula en movimiento lleva asociada una onda.
■ En t 927. considerando el caracter ondulatorio y corpuscular del
electrón, Werner Heisenberg (1901-1976) planteó el principio de
incertidumbre, el cual indicaba que era imposible conocer simultáneamente la posición y el movimiento de un ele<.trón. Mientras mt,s
exacta sea la determinación de una de las variables. más inexacta
será la otra.
Si bien la mecánica cuántica no 1nd1ca en qué parte del átomo está un
electrón. si advierte la región de mayor probabilidad en un momento
dado. Esta se conoce como orbital atómico.
En mecánica cuánt,ca se define orbital como una zona del espacio
donde existe mayor probabilidad de encontrar un electrón.
.;
·~
Wvtl p,incipal
j
de entrgla
\
n =4
n =3
-
4d
X..__s,
(
~ 4p
.,.,-'C= 4s Jd
":-----3p
\._J,
n =2
- - 2p
··- - 2,
n ::. 1
-- - - - - 1,
Niveles y subniveles atómicos
Reglas para distribuir los electrones en el átomo:
■ Los niveles de energía (n) están formados por uno o más subniveles.
El primer nivel es el más cercano al núcleo (n = 1).
n 1, 1 subnivel; n 2, 2 subniveles; n = 3, 3 subn,veles ...
■ Los subniveles se representan por las letras minúsculas: s. p, d y f,
y tienen una cantidad determinada de orbitales: s. 1 orbital: _o, 3
orbitales; d, 5 orbitales y f, 7 orbitales.
■ Cada subnivel tiene una capacidad máxima de electrones: s hasta
2e· ; p hasta 6e·: d hasta 1oe· y fhasta 14e· _
■ Cada átomo tiene su propia configuración electrónica.
=
de un electrón.
=
z
y
l
X
X
X
OrMalp,
Otbiral Py
Orbóta/ Pz
Forma de los orbitales s y
p . Las investigaciones y los
cálculos han de,erminado que
en el 01bital s, el elect16n
tiene mayo, prob.lbilidad de
encontrarse deniro de una
región con fo,ma esférica; en
cambio. en el orbital p, el
ek!cuón ocupa una zona
simila, a dos lóbulos que se
orientan en los ejes del
sistema car1esiano.
El
Número atómico (Z)
Es el número de protones que llene un átomo en su núcleo. Cuando
los ~tomos son neutros, el número de protones coincide con el nómero
de electrones.
\
Número másico (A)
Es el número total de protones más neutrones que tiene un átbmo en
su núcleo.
Oe acuerdo a esta ecuación, se puede obtener el número de neutrones:
[ n = A - p• !
Para representar el número atómi<:o y de masa de un elemento, se
anota:
1
Por ejemplo: ~C
Isótopos
Los isótopos son átomos que 1,enen el mismo número atómico pero
diferente número de masa, es decir, son el mismo eleme1110 peto con
diterente número de neutrones en su núcleo. Por ejemplo, los isótopos
del hidrógeno:
hidrógeno
Mtopos del hidrógeno.
m
deuterio
tritio
Todos los isótopos de un elemento presentan las mismas propiedades
químicas, ya que es1as se relacionan con el número de electrones. Sin
embargo, presentan algunas diferencias en sus propiedades físicas,
como la masa o la capacidad de desintegrarse rad,activamenle.
Masa atóm ica
La masa de los átomos está
dada por la masa de su núcleo,
es decir, la suma de protones y
neutrones.
Como las unidades de kilogramo y gramo son muy grandes
para expresar la masa de los
átomos, se definió una nueva
unidad, llamada unidad de
masa atómica (u), Que corresponde a la doceava parte de la masa de
un átomo de carbono-I2. En la actualidad, para medir la masa atómica o molecular, se utiliza el espectrómetro de masas.
Cálculo de masa atómica promedio
La masa atómica se determina obteniendo un promedio de todos los
isótopos. de acuerdo a la abundancia en que se encuentren en la naturaleza. Para determinar la masa atómica de un elemento, se debe:
■ anoiar cada uno de los isótopos que tiene el elemento y su abundanoa relativa en la naturaleza;
■ considerar que el valor de masa expresado en u para cada isótopo
de un elemento, corresponde al valor de su número másico (A).
Luego, se aplican en la siguiente expresión:
Espectros atómicos.
Cuando un elemento en
estado gmoso se calienta o
se "excíta" por medio de una
descarga elécui<a, emite luz.
Si esa luz emitida se hace
pas,ar po1 un prisma, se
descompone en radiación
luminosa de diferentes
colores q,Je puede re<ogerse
en una pa11talla en to,ma de
,a)·as de distinta intensidad y
grosor. A ese conjunto de
ra)·as de coloies se le llama
espectro de emisión.
masa atómica = (A del isótopo 1 x % de abundancia)+ (A del isótopo 2 x % de abund;ncia) +
promedio
100%
··J
---------------
Ejercicio resuelto
1. Se sabe que la abundancia relativa en la naturaleza de cada uno de los isótopos del neón es: 90,0%
de Ne-20, 0,27% de Ne-21, 9,73% de Ne-22 . Con estos datos, calcular la masa promedio del neón.
masa atómica p1omedio del Ne (20 X 90,0) + (21 K 0,27) + (22 K 9,73)
100
masa atómica promedio del Me = 20, 1973 u
11
Ewación de onda. En
1926. Erwi1 Schrooinger
(1887- 1961) plantea una
ecuación, llamada ecuación
de onda, (¡lle describe
teoocamente la na1u1aleza
del elewón. Esta resolución
matemática obligó a
establecer unas rewicciones
numéricai. éenom,nadas
números cuánTicos.
Número cuántico principal (n}
Especifica el nível energéll<o del orbital. siendo el primer nivel el de
menor energía, y se relaciona con la distanoa promedio que hay del
electrón al núd eo en un determinado orbrlal. A medida que n aumenta, la probabilidad de encontrar el electrón cerca del núcleo disminuye
y la energía del orbital aumenta.
~
Puede tomarlos valores enteros: n = 1, 2, 3. 4 .. . \
Número cuántico secundario (/)
Tipo de orbital
[ Valor de 1,
El electrón es una carga en
movimiento con un campo
magnético asocia~o. por lo
que se distinguen dos
1JO$ibles sentidos de giro en
torno a su eje. En A, el espín
es en el sentido de los
punteros del reloi y en B, en
el sentido contrario.
t
S= ++
A
m
/
Describe la forma geométrica del orbital. Los valores de 1 dependen
del número cuántico principal. Puede tomar los valores desde J,, = O
hasta L= n-1. En el caso de los atamos con mas de un electrón, determ,na también el subnivel de energla en el que se encuentra un orbital,
dentro de un cierto nivel energético. El valor de Í,se designa según las
letras:
s
_ _,_....;..
o
~ f
__,_~L 3 -
1os orbitales que tienen el mismo valor de n. reciben el nombre de
"nivel" y los orbitales Que tienen igual n y J,, "subnivel" .
Número cuántico magnético (m:l
lrdica la orientac,ón del orbital en el espacio. Puede tomar valores
entre:
-1... o ...+l.
Así, sr 1 = 1. existen tres posibilidades de m 1 ; estas son: •1, O, + 1.
El subnivel p tiene 3 orbitales. que se designan por: p,. Py y p, .
Ss-l
2
t
Número cuántico de
espín (m5 )
El electrón posee su propio núme•
ro cuántico que da a conocer el
sentido de rotac,ón del electrón en
torno a su eje cuando se mueve
dentro de un orbital. El electrón
solo tiene dos posibles senttdos de
giro, por lo que puede tomar los
valores + 112 {'t) o -1/2 (.!.).
Configuración electrónica
Es la forma en la que se d1stnbvyen los electrones en
los orbitales de un átomo en su estado fundamental.
Para distribuirlos correctamente se deben considerar
los siguientes principios:
■ Principio de la mlnima energla: el estado tunda•
mental, de mínima energia, es el más estable. Los
electrones deben ocupar los orbitales en orden creciente de energía, empezando por los más cercanos al núcleo.
■ Principio de exclusión de Pauli: cada orbita1acepta
como máximo 2 electrones, los que deben tener
espines contrarios.
■ Regla de Hund. los electrones van ocupando un
subnivel, de forma de oue cada electrón adicional
que entra se ubique en orbitales diferentes con el
Regla de las diagonales. Esta reg a describe
el orden de llenado de los elecuones. los qu,;,
tienden s,emp,e a ub carse e,, los orbitales de
,,,,.
menor ene,gia.
_____
~~
~ - . .~.
a -- ?~
.
,
,
.4....
. ..,,. .•
•
.•.
.•
•'
mismo espín .
Cómo escribir configuraciones electrónicas
Principio de exclusión de Pauli
Para escribir configuraciones se debe.
Subnivel Orbitales
■ buscar el número de electrones que tiene el átomo,
es decir, su Z.
s
■ ubicar los electrones en cada uno de los niveles de
p
3
energ1a, comenzando por el más cercano al núcleo
1-(n= 1), según la regla de las diagonales.
d
5
■ respetar la capacidad máxim,) de cada subni'lel.
(
7
Capacidad máxima
de e-
2
6
10
14
Ejercicio resuelto
1. Escribir la configuración electrónica del carbono y obtener los números cuánticos.
• Se obtiene el Zde la tabla pe1iódica
y seg,11 la reg a de las ciagonales
se establece la configu,ación electrónka.
1
l
e z=6
• De acuerdo a esta coní:guración. e último
electrón se ubicó en el nil•el de energía 2.
subn,•,el Py· fmonces, sus núme<os cuJnticos
son:
1i 2/ 2p7
INJ [L[[] □
s
.O, µ, P,
m1, = 0
m, = + 1/2
111
Compuesto. Un compuesto
es una sustancia pura que
puede descomponerse en una
o mas sustancias s'mp es.
Está formado por dos o más
tipos de átomos di'erentes,
los que se rep,esenta11 po,
fórmulas química~
M oléculas
Las moléculas están formadas por un número definido de átomos iguales o diferentes, unidos por enlaces qulmicos, y son la men0< porción
de materia que puede presentarse en estado líbre y estable.
Según la cantidad de átomos que tas f0<men, hay
tipos de moléculas:
Moléculas diatómicas
Estas moléculas están fotmadas solo por dos átomos.
Por ejemplo, el o.xlgeno gaseoso es un elemento puro, !)€ro cada una de sus moléculas está formada por dos átomos de oxigeno.
También existen moléculas diatómicas con dos elementos diferentes, como el monóxido de carbono {COJ.
Moléculas poliatómicas
Estas moléculas están formadas por más de dos átomos.
Por ejemplo, cada una de las moléculas de ozono está formada por tres átomos de oxigeno.
También existen moléculas poliatómicas formadas por elementos diferentes, como el amoniaco
(NH3).
11
Iones
Un ion es un átomo o grupo de átomos que adquiere carga positiva o
negativa, producto de la transferencia de electrones.
Un átomo neutro puecle aceptar o ceder electrones. Según esto, se forman los cationes y aniones.
Catión
Un catión se forma cuando un átomo neutro cede uno o más electrones. Quecla entonces con
carga positiva, es decir, posee una mayor cantidad de protones en su núcleo que de electrones
girando alrededor de él.
Formac.ión del ratión litio
Por ejemplo:
•
Electrón
•
•
•
Litio (Li)
••
Catión litio (ü•J
Anión
Un anión se forma cuando un átomo neutro acepta uno o más electrones. Queda entonces con
carga negativa, es decir, posee una mayor cantidad de electrones girando alrecledor de él que
protones en su núcleo.
Por ejemplo:
Formatión del anión flúor
•
•
• •
•
•
•
• ••
-
Fhior (f)
•
E"1ctrón
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Anión fluoiuro (F")
m
0
1iáo¡«10
El, AnAt,
(D 1, •ópeno @ Bailo
• c.. oo, © 11....
@ f6). oio @ C1,-.;.
<I) Y.J,;oe~o © coe,,
9 c.ioo
© ~-
Una fórmula qulmica es una repr=ntación mediante símbolos de la
composición de una sustancia pura. En una fórmula aparecen los símbolos de los elementos que componen la sustancia y la proporción en
la cual se combinan los átomos.
1
@-
@~...
Slmbolos químicos. Dalton
p,opuso una serie de
símbolos para representar los
elementos qulmicos que eran
conocidos. Sin embargo, a
medida que fue1on
aumentando en número, la
simbología se complicó. los
símbolos usados hoy en día
fueron piopuestos por
Berielius.
Existen las fórmulas empíricas y moleculares.
\ .
Fórmula empírica
Indica los elementos que están pr=ntes en una mblécula y la relación
mlnima que hay entre los átomos, en números enieros. Sin embargo,
no indica, necesariamente, el número real de átomos en la molécula.
Esta fórmula puede determinarse experimentalmente.
Por ejemplo, la fórmula empírica de la molécula de H2O2 es·
HO
fórmula empírica
del peróxido de hidrógeno
Ejercicio resuelto
1. Escribir la fórmula empírica de la molécula de glucosa (C6H120 6).
-----►C6H1206 • - - - - - ~
A
de carbono, .
e hidrógeno y
Como se puede obser,ar, el número de átomos es divisible por 3 y p0< 6. sin embargo, es conecto di•1idi1
por 6 ya que asi se obtiene la fórmula más sencilla.
11
Fórmula molecular
Indica el número exacto de átomos que están presentes en una sustancia.
Por ejemplo. la molécula de agua:
Fórmula molecular
H
1
H- C- H
1
. • • de hidrógeno
~
de oxígeóo
~----► H20 ....J
H
Fórmula estructural
r ,./
Modelos moleculares
Se usan para visualizar la forma de una molécula. Para poder construir
un modelo molecular, primero se debe anotar la fórmula estrocturat de
la molécula, que indica cómo están unidos los átomos entre sí. Por
ejemplo, la fórmula estructural de la molécula de agua es:
lft-o-H]
r
,./
La línea representa el enlace químico.
Cada molécula puede ser representada a través de dos modelos moleculares: el espacial y el de esferas y barras:
Modelo espacial
del agua
-,-1
Modelo de esferas y
barras
./
Modelo espacial
Modelo de esferas
y barras del agua
En estos modelos, los ángulos que separan a los átomos son iguales a
los de las moléculas reates. El tamano de las esferas es proporcional al
de los átomos y cada átomo se representa por un color especifico.
11
m
Historia de la tabla periódica
Primeras ideas d& clasificación
■ El primer inten10 de clasificación de los ele•
Tabla periódica propuesta
por Mendeleev. Cuando
Mendeleev no conseguía que
los elementos encajaran.
dejaba espacios vacíos para
los elementos que luego
serian descubienos.
mentas quim,cos fue reunirlos en metales.
como el hierro, y en no metales, como el oxí•
geno.
■ Luego, en 1817, Je nn Dobereiner (17801849) lormó grupos d tres elementos según
la similitud de sus prop, dades físicas y químicas. creando las triadas. Mostró que svs
masas atómicas variaban con cierta regularidad.
■ En 1864, John Newlands ('I 838- 1898) los dispuso en orden creciente de masas atómicas. Observó que después de cada 7 elementos,
en el octavo se repedan las propiedades del primero. Asi. creó la ley
de las octavas.
■ En 1869, Dimitn Mendeleev (1834-1907) colocó los elementos en
orden creciente de masas atómicas. y agrupó en una misma columna los elementos que exhiblan propiedades químicas parecidas.
Tabla periódica actual
La actual tabla periódica tiene las siguientes características:
■ El orden de los elementos se hace desde menor a mayor número
atómico (Z).
■ Los elementos aparecen agrupados en filas y columnas. Las filas o
períodos se disponen en líneas horizontales y las columnas o gru•
pos, en lineas verticales.
■ La ubicación de los elementos en los grupos se ha hecho de acuerdo a la configuración electrónica del nivel rn~s externo, estas ayudan a explicar la repetición de las propiedades físicas y químicas de
los elementos.
■ En la tabla periódica se encuentran los siguientes datos de los ele•
men1os:
Húmero atómico
Masa a161111ca
relJt~·a
Valencias y estados de oxidaóón
Nombre
m
79
Slmbolo
Grupos y períodos
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Np
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~- .....
'"'-1 ..
Sm
Dy
M
"""
...
Grupos
[
La tabla periódica consta de 18 columnas
ve<ticales llamadas grupos. Estos se nombran
clásicamente desde la izquierda a la derecha
por números romanos y una letra A o B. Según
la denominación moderna, se designan con los
números del 1 al 18.
El último grvpo VIII A o 18 son los gases nobles.
-
11'•,..,
·-
Am Cm
M-
J,;\
Er
..... )1
Tm
- - - ~-
<"4 .a, 11111
Cf
Fm
Md
No
lr
Periodos
La tabla periódica consta de 7 tilas horizontales
llamadas períodos. Los períodos se numeran de
arriba hac,a abajo.
El sexto período incluye a los lantánidos y el
séptimo a los actlnidos. El séptimo periodo aún
no est~ completo, ya que los científicos siguen
preparando nuevos elementos.
--1---- - - - -- - -
f - - -'11.
Clasificación de la tabla periódica por
configur,1ción electrónica. Bajo este c,ite,io,
los elemeutos se dasilican según el tipo de
orbital:
Bloques máximo 2 eBloque p m<lximo
Bloque d máximo
Bloque f
m~ximo 14 e-
11
Carga nuclear efectiva (Z01)
La carga nuclear efectiva es la carga neta que alecla a un electrón
externo. Como los electrones rmernos ejercen un efecto de apantallamien10 de la carga positiva del núcleo, los electrones más externos son
atraldos con menor fuerza. A>
> atracción núcleo-elec11ón.
z..,.
Efecto pantalla. La l,¡ del
li1io es +3, sin embargo, la
fuerza 1otal de la carga es
disminuida por la repulsión
enlre los electrones
-apanlallamienlo• en el
subnivel 1s, que reduce la
atracción del núcleo sobre el
ele<trón.
Radio atómico (RA)
El radio atómico dependerá del l~o de unión que presenten los átomos. En los metales. es la m,tad det~istancia entre los núcleos de
dos átomos adyacentes del mismo eleme'n¡o. En molé<ulas diatómicas
es la mitad de la distancia entre los núcleo~ de los átomos que forman
la molé<ula. A> z.,1 < radio alómico.
_.....,_r..4_......,_
Molécula
d@tómica
Radio iónico (RI)
Corresponde al radio que tiene un átomo cuando ha perdido o ganado electrones al formar un compuesto.
■ Al anadir un electrón (anión). aumenta la repulsión entre electrones,
aumentando la densidad electrónica, y por lo tanto. el radio tónico.
■ Al perder un electrón (catión). disminuye la 1epuls16n entre electrones. por lo que la nube electrónica se contrae, dismmuyendo asf el
,adio iónico.
1.s2 ,8.
0,64Á
Energía de ionización (El)
Es la energía mínima (en k.J/mol) necesaria para separar el electrón más
externo de un á1omo en estado gaseoso, en su estado fundamental. El
átomo se convierte en un catión según:
ÁtO(l'IC) de litio Ata,no de filiar
o.60-8.
•
Cati«> itlo
1.15A
Anión luo1u10
Comparación entre los
radios a16m1cos e ión1Cos de
los atomos de lrt10 y lluor.
11
[ :><¡9¡ + energfa -, x•1g¡ + e· ]
X = elemento metálico
Existen átomos en los que se puede exttaer más de un electrón. En este
caso, la energía para extraer el primer electrón se llama energfa de primera ionización; para extraer el segundo electrón, energía de segunda
ionización, y así sucesivamente. Cuanto mayor sea la energfa de ionización, más dificil será extraer un electrón.
Afinidad electrónica (AE)
Es la energía que libera un átomo, en estado gaseoso y en su estado
fundamental. cuando capta un electrón. El átomo se convierte en un
anión según:
l<{g) • e· -+ x ·(g; + energía
j
X = elemento no metálico
Cuanto mayor es la afinidad electrónica de un elemento, mayor es la
1endenci¡, ¡, formar aniones.
Electronegatividad (EN)
Es la capacidad que tiene un átomo de atrae, hacia si los electrones de
ouo átomo en un enlace químico.
La tendencia de un átomo de alfae, el par de electrones de un enlace,
está relacionada con la energía de ionización y con su afinidad electró-
nica./
1
Variación de las propiedades periódicas
Aumento de: Z,1, El, AE, EN
Disminuoón de: RA
:z
~
~·.., g¡
>-
¡¡;
>-
;:¡¡
¡,;
=¡,; =s
e
•O
·g ~
·" ~
!
m
Un enlace químico es un conjunto de fuerzas que mantienen unido a
los átomos, iones o moléculas. Se produce porque los ~tomos en conjunto so,1 m~ estables que los átomos aislados. y unidos ocupan una
mínima energía. Los responsables de formar un enlace químico son los
electrones de valenc,a.
Enlace químico. En la
naIurale2a existen iolo
90 elemenlos químicos
naturales; sin embargo, se
puede obtener una cantidad
incalculabl<? de 0Iras
sustancias cuando se
producen los enlaces.
Electrones de valencia (e ii)
Son los electrones de mayor energía, ub1Cados en la capa electrónica
más externa.
La se=janza que existe entre las confrg u ~ eleclrónicas de los
elementos que pertenecen a un mismo grupo. es decir, el número de
electrones de valencia, hace que las propiedades químicas sean parecidas.
Pasos para calcular los electrones de valencia:
■ se escribe la confrguración electrónica del ele=nto;
■ se marca la capa más ex1erna, es decir, el último nivel de energla;
■ se suman los electrones del último nivel de energía, obteniendo los
electrones de valencia.
ºº
1. Calcular los electrones de valencia del nitrógeno y azufre,
a. Nitrógeno (N)
Nit169eno
Configuración eleorónica:
Últ11no nM1I de ene1gía:
Elemon~ de ,¡afencia:
11
2=7
1s1 2s2 2p3
lsl 1sl 2,ol
1s1 2s2 2p3
5 eii
b. Azufre (S)
Azufre
Configuración eleroónica:
Último nivel de energía:
Ele<11ones de valencia:
2 = 16
1s2 1s1 2p6 3s2 3¡j1
Is; is2 2p6 3s; 3p4
Is2 2s2 2p6 3s1 3p4 6 e;;
Longitud y energía de enlace
Cuando dos átomos se unen, buscan lograr la máx<ma estabilidad. Al
acercarse dos núcleos, la m~xima estabilidad se consigue cuando los
electrones se redistribuyen a su alrededor hasta alcanzar una disposic,ón en que las fuerzas eléctncas hagan que la energ1a potencial del
sistema sea mínima. A esta distancia se le llama longitud de enlace (r0).
Para esta d,stancia, la energía es mínima y la estabilidad del sistema es
~xima.
En la naturaleza, todos los
cuerPOS tienden a ad01>tar
espont~neamente estados
de mfnima ene19ra. Por
eje,nplo. los paracaidistas
tienen menos ene-rgia en e-1
suelo que en el aire.
Solapación de la1 nu~es
elearónicas
A la energía que se desprende al formarse un enlace o a la energía que
se debe utilizar para romperlo, se les llama energía de enlace.
Energla potencial del sistema
Fuems de repulsión
Energía pclenclal res1!1an1e
o
d(Al
'•
Distancia entre núcleos
Fue11a1 de atracción
Variación de la energla potencial frente a la
distancia existente entre dos núcleos atómicos.
Se obsel\'a que existe una disu,ncia, 10, a la cual la
energla potencial es mlníma. Ese va!o, conesponde a la
máxima cstabi'id3d del sisiema.
11
Estructura de Lewi s
Los iones que 1ienen la
misma configuración
electrónica se conocen
como iones i$0ele<trónícos.
Para facilitar el estudio de los enlaces, Gilbert Lewis ( 1875-1946) ideó
un sistema de notaC1ón de puntos para representar los electrones de
valencia, conocidos como símbolos de Lewis. En este. se escribe el slmbolo químico del elemento y un punto o una cruz por cada elec1tón de
valenc,a.
Por e¡emplo. para el átomo de fósforo (P). z ~ :
• Pnmero se deben obtener los electrones de va~ ncia.
Configuración electrónica: 1s2 2.s2 2p6 3s2 3p1 /
último nivel de energía: 1s2 2s2 2p6 3s1 3p'
·
Electrones de valencia: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
5 ev
• Luego, alrededor del símbolo químico se anotan los electrones de
valencia con puntos o cruces. La distribución correcta de los electtones corresponde a la aplicación de la regla de Hund. Entonces:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
fil] ffJ ffJ ffJ
s
Px
p., P,
• Los electrones apareados se anotan como dos puntos o cruces juntos, y los electrones desapareados. como puntos o cruces independientes.
Estructura de Lewis para iones
Si un átomo gana o pierde electrones, el ion tomará la misma configuración del gas noble más cercano. Por ejemplo:
11
1s2 2?- 2p6
ev
8 ev
l:i=::J'
Z = 10
1s2 2?- 2p6
8ev
:r-¡!':
Na
Z = 11
1s2 2s2 2p6 3s 1
1 ev
Na·
Na'
Z = 11
1s2 2S 2p•
8ev
[:r-¡~:.. r
F
Z=9
ts2 2?- 2p5
f"
Z=9
! Ne
7
:f.·
Regla del octeto
La estabilidad de los gases nobles, es decir, el que no tiendan a formar
compuestos stno que se encuentren en forma atómica en la naturaleza, se asocia con la estructura electrónica de su última capa, que tiene
todos sus niveles y subniveles completamente llenos con ocho electrones, dando origen a la regla del octeto.
La regla del octeto indica que la formación de moléculas y compuestos se produce por la tendencia que tienen los étomos de adquirir la
configuración electrónica del gas noble rÑ s cercano, completando
ocho electrones en su úllima capa.
Gases nobles. Como los
gases nobles poseen muy
baja reaaividad química, se
utilizan en sistemas en los
cuales necesariamente no
deban pro<lucirse cambios
químicos, Por ejemplo, en las
amponeras se utiliza gas
aigón, ya que si hub;e,a aire,
el oxigeno de este
,eaccionaria con el melal
del filamenio, dañando la
ampoBeta.
Los átomos consiguen el octeto, perdiendo, gananclo o compartiendo
elect<ones. Por e¡emplo:
• los metales ceden electrones.
Aluminio Z = 13
átomo de aluminio
Al
1s2 2s2 2p6 3s2 3p 1
·Al
"]3+
[:-:'}:
ion aluminio
gas noble más cercano Ne
1s2 2s2 2p6
:Ñe:
• los no metales ganan elect10nes.
Flúor Z = 9
átomo de flúor
F
1s2 2s2 2p5
: j:'.
ion fluoruro
F
ts2 2s2 2p6
[:r,:]"
gas noble más cercano Ne
ts2 2s2 2p6
:~~:
Regla del dueto
El hidrógeno, litio y be,ilio, cuando ro,man enlaces. completan su último nivel energético solo con 2 electrones, alcanzando la configuración
electrónica del helio. En este caso, cumplen con la regla del dueto.
11
Enlace iónico
Na· +
•Ci:-.Na•+:éi:•
..
..
Formación del enlace NaCI.
Compuestos iónicos. El
aspecto cristalino que se
obse,va en los compuestos
iónicos es producto de su
ordenamiento intemo.
11
Es la fuerza de atracción que se establece entre iones positivos y nega•
tivos. Un enlace iónico se produce:
■ por una transferenoa de electrones.
■ entre un elemento metalico que tiende a ceder efearones formando rones positivos y un elemento no metálico que tiende a captar
electrones formando iones negativos.
■ entre elementos con elec1ronegatividades muy diferentes.
Red cristalina
~
Cuando se forma un compuesto i&\ko, cada ion se rodea del
mayor número posible de iones del ¡igno contrario, formando
una estructura ordenada que se extiende en todas direcciones,
llamada red cristalina.
Los iones se distribuyen en la red de tal forma que las fuerzas
repulsivas sean mínimas y las atractivas sean máximas.
Propiedades de los compuestos iónicos
■ Son sólidos a temperatura
ambiente.
■ T,enen altos puntos de
fusión y ebullición.
■ Generalmente son solubles
en agua y en otJos solventes
polares.
■ Conducen la electricióad solo
en solución o fundidos.
■ Forman redes cristalinas de gran
estabilidad.
■ Al disolverse en agua se disocian .
■ Son duros y frágiles.
Muchos minerales se lrag•
mentan con facilidad cuan•
do se golpean, esto se debe
a que, al golpearlos, un
plano de los iones se despla•
za. quedando enlrentados
iones del mismo signo.
Enlace covalente
Es la fuerza de atracción que se establece entre átomos no metálicos
de igual o diferente electronegatividad. cuando comparten sus electrones de valencia para formar moléculas.
,__....
Molkula de 112 Molkula de 02 Molkula de HCI Molécula de N2
(enlace •Imple) (enlace doble) (enlace simple) (enlace triple)
1 Diagrama
de lewis
li· ·H
:o: :o:
H· -~[:
J.
J,
J.
H- H
I0=01
H- Q1
o,
HCI
:N: :N:
J.
tNeNI
~
Fórmula
H¡
l
Red cristalina del
diamante.
M¡
Los átomos pueden compartir uno o más pares de electrones formando enlaces covalemes simples. dobles o triples.
Clasificación de enlaces covalentes
■ Enlace covalente polar. Se produce entre átomos de diferen1e etectronegatividad. La diStribución de las cargas eléctricas negativas no
es simélfica, hay una mayor densidad de carga cerca del elemento
más electronegativo. La molécula resultante tiene dos polos, por lo
que es llamada dipolo. Por ejemplo : HCI y H20.
■ Enlace covalente apolar. Se produce entre átomos iguales. Los electrones compartidos se ubican simétricamente respecto de ambos
átomos y la distribución de las cargas eléctricas negativas es uniforme dentro de la molécula. Por ejemplo: Cl2 y 0 2•
dHCI
Propiedades de los enlaces covalentes
Según cómo se unen los átomos, se pueden encontrar las sustancias
reticulares y moleculares.
Sustancias reticulares
Sustancias moleculares
Se forman por un número indefinido de átomos Están ío,madas oor moléculas indil'iduates, las que se un<!n
unidos po, enlaces covalentes, los cuales ío,man entre si por fuerzas i~tennoleculares débiles. Pueden
una red Clistalina tridimensíonal. Estas sustancias p1esen1a1se en tos O'es ~ados de la mateiia. Propiedades:
solo se ,)lesentan en estado sólido. Propiedades: . tiene1 purtos de fosión y ebullición relativamente bajos
• tienen PtJ0tos de fusión y ebul ición mU'¡ altos. · son matos conductores del calor y la electricidad.
- son solubles en solventes polares cuando presentan
• son exuemadamente duros.
. son insolubles en todo tipo de sok·emes.
pola1idao, y en solventes apolares cuando no la presentan.
Por e¡emplo: el nitlógeno, el alcol1ol y el azúcar.
l'ol ejemplo: el diamarite.
11
Es la fuerza de atracción que se establece entre una gran cantidad de
iones positivos que se mantienen umdos por una nube de electrones.
La teoría del mar de electrones explica la estructura metálica, la cual
Enlace met~lico. tones
pO'Sltivos empaquetados
está formada por cationes del metal rodeados de un mar de electrones
deslocalizados. La deslocalización de los electrones produce una gran
fuerza de cohesión entre los átomos, y es la responsable de una gran
parte de las propiedades de los elementos metálicos. En las sustancias
metálicas, al igual que en las i6n1cas, no se forman moléculas. sino una
red cnstalina metálica.
~
inmersos en una nube
electrórnca.
El platino es un compuesto
metálico.
11
Propiedades de los compuestos metálico:
'
■ Sólidos a temperatura ambiente, excepto el cesio, njercurio
y galio
que son líquidos.
■ Poseen elevados puntos de fusión y ebullición, excepto los que son
líquidos a temperatura ambiente.
■ Buenos conductores del calor y la electricrdad.
■ Maleables (forman láminas o planchas delgadas) y dúctiles (forman
hilos muy finos y alambres).
■ A excepción del litio, sodio y potasio, todos son más densos que el
agua.
■ Son tenaces, es decir, resisten grandes tensiones sin romperse.
■ Poseen brilío metálico.
Metal
Propiedades químicas
Cobre y plata
• Químicamenle son muy poco activos.
• Reaccionan solo con algunos ácidos, como el á<ido nftríco.
Hieno
• Se oxida con ef oxigeno del aire.
• Reacciona con el vapor de agua a altas teml)<!raturas.
• Reacciona con los ácidos formando sales de hierro.
Sodio
• Quimicameme muy activo.
• Reacciona rápidamente con el oxigeno del aire,
recubriéndose con una capa de óxido de sodio.
• Reacciona-viole<l1amente con el agua formando hidróxído
de sodio e hidrógeno.
• Reacoona con los aodos formando sales de sodM>.
Fuerzas intermoleculares
Son fuerzas de atracción que unen a las moléculas que forman las sustancias covalentes. Estos enlaces son mucho m~s débiles que los que
se producen entre ~tomos.
Fuerzas dipolo-dipolo
Fuerzas que se presentan entre dos o más moléculas
polares. En esta~ el polo positivo (6• ) de una molécula
se auaerá con el polo negativo (6") de oua molécula,
de manera de hacer máxima la atracción.
◄
Fuerzas ion-dipolo
En u-na sustancia iónlc.a, los iones pueden in1eractua1
con los polos de una molécula covalente polar. El polo
negativo de una molécula atrae al ion positivo, y el polo
positivo atrae al ion negativo.
◄
►
Molécula polar
Ion
Fuerzas de Van der Waals
En la distribución electrónka de las moléculas apelares
se prodJcen momentáneos desequiibrios producto del
movimiento de los electrones, así se generan polos
positivos y negat~IOS. Estos polos cambian
continuamente de posición, sin emba,go, ¡xoducen una
interacción débil enlfe las óferentes moléculas
apolares.
Puentes de hidrógeno
El átomo de hidrógeno de un enlace polar, como O·H,
N·H o F·H, se une con un átomo altamente
electronegativo, como O, No F. Por ejemplo, en el agua,
el par electrónico del enlace 0-H penenece casi
tOlalmente al oxígeno, formando el polo negativo de la
molécula. El hidrógeno, deficiente en eleroones, forma
ef polo posilivo de la misma molérula. En este caso, el
hidrógeno consigue los electrones a través de la
inte,acción con el átomo de oxigeno de otra molécula
de agua, estableciéndose así un puente.
Puente de
Molécula apolar
Formación de polos
~~
la geometría molecular
afe<ta las propiedades físicas
)' químicas de una sustanoa.
La geometría molecular determina la disposición tridimensional de los
átomos que forman una molécula. Esta disposición dependerá del
número de electrones de valencia de los átomos que forman la mol~cula, ya que estos son tos que 1nterv1enen en un enlace químico. Una
molécula adoptará la geometría en la cu31 la repulsión sea mínima.
la geometría molecular se estudia a través del modelo de la repulsión
de los pares electrónicos de la capa de valencía (RPECV). Según este,
todos los electrones que hay alrededor del átomo central, incluyendo
los pares de electrones compartidos, pares enlazantes. como los no
compartidos. pares libres. desempe~an un papel fundament31 en la
con figuración de una molécula.
Mol~culas sin pares de electrones libres en el
Moléculas con pares de elec,rones líbres en el
átomo central
atomo central
Su fórmula general es AB, donde x tiene l'alores entre Su lórmula gell<!ral es AB,E1 donde A es el átomo
central. B es un átomo de alrededor y E un par de
2 y 6. En el caso de qll<! x: 1, será una molécula
electrones libres sobre A.
diatómíca hneaí. Por ejemplo:
x e y son números eme<0s Que ind·can el néme,o de
~tonos
que rocea al ~tomo central y el número de
F
Be
F
BeF 2
pares líbres. Por ejemp,o;
o-ti•.,..o
Fluornro de berilio
H
MH¡
BH¡
H
H
H
H
Trihidruro de boro
H
Amoniaco
M¡O
~
H~~J~~
Agua
Metano
m
lipos de geometría molecular
Algunos tipos de geometría molecular son· lineal planar trigonal
tetraéd nea, pirámide tngonal y angular.
Geometrla molecular
-~N• de pares de Tipo de
(Angulo)
ele<trones
molécula
totales de enlace
1
Ejemplo
.
Estructura de
l ewis
Modelo de
esferas
1
Linea1 (180')
Dospares de electrones
alrededor de un átomo central.
localizados en lados opuestos
y sepa rados por un ángulo de
180°.
Be F2
2
2
..
º e -o
:F
AX2
F-8e-F
'-
Plana r trigonal
(trianguiar) (120')
' Tres pares de electrones en
tomo a un átomo central,
separados por ángulos
de 120º .
Tetraédrica (1 09,5°)
Cuano pares de electrones
alrededor de un átomo central.
ubicados coi\ una separación
máxima equivalente a un
ángulo de 109,Sº.
BH3
3
H
1
B
3
/'
HH
H
4
Ax.
4
1
H-C-H
1
H
H
•• 8 ••
H
H
..H
..H
H:C: H
1
Pirámide trigonal (107º)
Cuatro pares de electrones en
tomo a un átomo central. uno
de ellos no compartido. que se
encuentran separados por
ángulosde 107º.
Angular (104,s• ¡
Cuatro pares de electrones
alrededor de un átomo
central, con dos de ellos no
comparudos, que se distancian
en un ángulo de 104,5°.
NH3
4
3
AX3E
H-N-H
1
H
..
..
H: N: H
H
H2O
4
2
AX2E2
·o·
,'
H H
·o·
...·
H H
m
Compuestos binarios inorgánicos
Compuestos oxigenados (óxidos)
Compuestos formados por oxígeno más un elemento metálico (óxido
básico) o no metálico (óxido ácrdo).
■ Fórmula general.
donde:
E es el símbolo del elemento metálico o no metálico.
Oes el símbolo del oxigeno.
x es la valencia (capacidad de com~) del elemento oxlgeno,
igual a 2.
·
y es la valencia del elemento metálico o nd metálico.
■ fórmula química. Se escriben los símbolos según la fórmula general
y se intercambian las valencias. Por ejemplo. para formar un compuesto entre el calcio y el oxígeno. Valencias: Ca = 2 O = 2
Oxido de mercurio. Reacción
de descomposición del óxido
de mercurio por efecto de la
tempecatura.
CafJj
como ambas valencias son divisibles por 2, se pueden simplificar.
cao
la Unión Internacional de
Química Pura y Aplicada
(IUPAC) ha establecido una
serie de norma~ comunes a
todo el mundo, para dar el
nombre correcto a los
elementos y coflll)IJestos
qulmicos.
■ Nombre del compuesto. Se escribe "óxido de". seguido del nombre
del elemento metálico o no metálico. Finalmente, entre paréntesis y
con números romanos, se indica la valencia que está usando el
metal o no metal para formar el compuesto.
cao
óxido de caldo (11)
Ejercicios resueltos
1, Escribir la fónnula del óxido de azufre (IV).
Elementos:
Valencias:
Fórmula general:
Simplificaci6<l
11
azofre S
5=4
oxígeno O
0 =2
s¡o¡
~ 02
2. Escribir el nombre de Fe203.
Elementos:
Valencias:
Nombre:
hieoo fe oxígeno O
Fe :: 3
0=2
óxido de hierro (111)
Compuestos hidrogenados
Compuestos formados por hidrógeno más un elemento metálico o no
metálico.
Hidruros
Fórmula general.
donde:
M es el símbolo del elemento metálico; y, valencia de M.
H es el símbolo del hid1ógeno, tiene valenóa 1.
Fórmula química. Se anotan los símbolos según la fórmula gene1al y se intercambian las valencias. El subíndice
1 se omite. Por ejemplo, para formar un compuesto entre el aluminio y el hidrógeno.
Valencias:AI =3 H = 1
AIH3
Nombre del compuesto. Se escribe "hidruro de', seguido del nombre del elemento metálko.
AIH3
hidruro de aluminio
Hidrácidos
Fónmula general.
donde:
H es el símbolo del hidrógeno, t~e valencia 1.
Ees el símbolo del elemento no metálico. este actúa con la menor valencia.
x valencia de E; es I para los elementos del grupo VII Ay 2 para los del grupo VI A
Fórmula química. Se anotan los símbolos según la fórmula general y se intercambian las valencias. Pl>r ejemplo,
para formar un compueslo entre el hidrógeno y el doro.
Valencias: CI = 1 H = 1
HCI
Nombre del compuesto. Se escribe el nombre del no metal con el sufijo· •uro" seguido de "de hidrógeno·.
Importante: cuando un hidrácido se mezcla con agua. cambia el sufijo " -uro• por · -hidrico· y se antepone la
palabra ácido. Po, ejemplo: el cloruro de hidrógeno cambia por ácido clorhídrico.
HCI
cloruro de hidrógeno
Aminas
Fórmula general.
donde:
E es el simbolo del elemento no metálico, 3 es la valencia de E, del grupo V A.
H es el símbolo del hid1ógeno. liene valencia 1.
Fónmula química. Se anotan los símbolos según la tó,mu!a general y se intercambian las v.ilen<ias. Por ejemplo.
para formar un compuesto entre el nitrógeno e hidrógeno.
Valencias: N =3 H =1
NH¡
Nombre del compuesto. Se usan nombres tradicionales, como:
NH3 amoniaco
AsH¡ arsenamina
PH3
losfamina
11
Sales binarias
Compuestos formados por un elemento metálico y uno no metálico
del grupo VI A o VII A.
■ Fórmula general.
donde:
M es el simbolo del elemento metálico.
E es el símbolo del elemento no me1~1ico
x es la valencia de E, que es 1 para el grupo VII A y 2 para el grupo
Antimonita. La antimoni1a
o estibina es un mineral de
sutfuro de antimonio, es
decir, una sal binar;a.
VI A.
y es la valencia del metal.
■ Fórmula ~ imi~eli<riben los símbolos según la fórmula general
y se intercarñ15,an las valencias. Por ejemplo. para formar un com•
pues10 entre el hierro y el azufre. Valencias:
Fe ; 2 s = 2
como ambas valencias son divisibles por 2. se pueden simplificar.
Fes
■ Nombre del compuesto. Se escribe el nombre del no metal con el sufi-
jo "•uro" seguido del nombre del me1al. Si el metal tiene más de una
valencia, esta se anota en1re 1>aréntesis y con números romanos.
Fes
sulfuro de hierro (11)
Ejercicios resueltos
1. Escribir la fórmula del hidruro de litio.
Elemenios:
~idrógeno H lilio li
H:1
Valen<ias:
Li = 1
fórmula general:
LiH
2. Escribir la fórmula de la arsenamina.
Elemenlos:
hid1-09eno M
Valeooas:
H= 1
arsénico As
As:3
Fórmula general:
m
3. Escribir el nombre de H2S.
Elementos:
Va1encias:
Nomb1e:
azufre S
hidróg<?no H
5=2
H= 1
sulfuro de hidrógeno
4 . Escribir el nombre de FeBr2.
Elementos:
Valencias:
NO."lb1e:
hierro Fe
bromo Br
Fe=2
Br= l
bromuro de hierro (11)
Compuestos ternarios inorgánicos
Hidróxidos
■ Fónnula general.
M(OH)y
donde:
M es el símbolo del elemento met.llk o; y es su valencia.
OH es el símbolo del grupo poliatómico llamado grupo hidroxilo.
■ Formación de un hidróxido.
óxido básico + agua -, hidróxido
Ejemplo:
CaO
+ HzO ➔ Ca(OH)z
■ Nombre del compuesto. Se escribe "hidróxido de", seguido del
nombre del metal y entre paréntesis con números romanos, se ind1•
ca la valencia.
Ca(OH)z
hidróxido de calcio (11)
[ Aniones más utilizados
l
Nombre Nomenclatura
Nitrato
Sullato
Sulfito
NOj
--
soi•
so¡-
fQsíato
POJ'
Carbonato
coj·
1Perclorato
CI0 4
1
Oxiácidos
■ Fórmula general.
HyE,O,
donde:
Ees el símbolo del elemento no metálico.
H y O son símbolos del hidrógeno y oxígeno.
■ Formación de un oxiácido.
óxido ácido + agua ➔ ox1ácido
E1emplo:
SO3 + rlzO -+ H2so.
■ Nombre del compuesto. Se escribe • ácido de", seguido del nombre
del no metal y en1re paréntesis con números romanos la valencia del
no metal.
ácido de azufre (VI)
ácido sulfúrico
H¡S04
Sales neutras de oxiácidos
■ Fórmula general.
MyA
donde:
M es el slmbolo del elemento metálico: z es su valencia.
A es el anión, ion poliatóm1co cuya capacidad de combinación, y,
está dada por el número de átomos de H que fueron desplazados
en el oxiácido.
■ Formación de una sal neutra.
Oxiác1do + hidróxido -+ sal neutra(+ HzO)
Ejemplo: HNO3 + NaOH -+ NaNO3 (+ HzO)
■ Nombre del compuesto. Se escribe el grupo no metálico con sufijo
",ito· o "•ato· . más el nombre del metal, y erute paréntesis con
números romanos, la valenoa del metal.
nitrato de sodio
11
Ejercicios
1. Indicar las caracterlsticas del modelo atómico
postulado por Joseph Thomson en 1903.
2. Indicar el Z y A de un átomo que posee:
11. Escribir las configuraciones electrónicas de:
a. oxigeno. Z = 8.
b. fósforo, Z = '15.
c. potasio, z= 19.
a. 22 p•. 22 e- y 26 n.
b. 15p•, 15e- y20n.
c. 7 p•, 7 e- y 7 n.
3. Escribir la expresión correcta para el isótopo
de un átomo que posee 19 p•, 20 n y 19 •-.
4. ¿Cómo se clasifican los t.ipos de moléculas?
12. Nombrar tres iones que posean igual
configuración electrónica que el gas noble
argón.
13. Obtener la fórmula empírica de las
sustancias que tienen la siguiente
composición porcentual:
Indicar dos ejemplos de cada tipo.
a. Fe = 6 3,53%; S = 36.47 %.
S. ¿Cuál es la principal diferencia entre una
fórmula empírica y una fórmula molecular?
6. Mencionar tres ejemplos de moléculas con
pares de electrones libres en el átomo
central.
7. Indicar la geometria molecular de los
siguientes compuestos.
a. SCl2
b. Fe= 46.55%; S = 53,45%.
c. Fe = 53,73%; S = 46,27%.
14. ¿Cómo varía el radio atómico en los grupos
del sistema periódico 7
15. Indicar el tipo de enlace presente en los
siguientes compuestos:
a. NaCI
b. H2ó
b. CF4
c. LiBr
c. 8H3
d. Cl2
8. Indicar una caracterlstica que diferencie a los
enlaces: iónicos, covalentes y metálicos.
9. Indicar el nombre de los siguientes aniones:
16. Clasificar los siguientes compuestos
inorgánicos según nomenclatura IUPAC.
a. S03
b. KBr
a. soi-
c. NaóH
b. POt
d. MgCr201
c. co¡1O. ¿Qué determinó Rutherford con su
experimento de la lámina de oro?
11
17. Uno de los principales componentes de la
lluvia ácida es el dióxido de azufre u óxido
de azufre (IV). ¿ Cuál es la fórmula molecular
de este compuesto?
18. Responder.
a. ¿Qué diferencia existe entre una
molécula y un compuesto?
b. ¿Cómo se puede demostrar la existencia
de los enlaces covalentes?
c. ¿A qué conclusiones se puede llegar si se
sabe que un elemento X es un anión que
aceptó 2 e-. quedando con un total de
soe-y68n?
d. ¿Qué razones o motivos existen para
que en un grupo, a medida que aumenta
el volumen atómico. disminuya la
afinidad electrónica?
e. ¿Qué significa la expresión P.?. ¿en qué
se diferencia con 4 P?
f. Según el radio atómico, ¿cu~I de los
siguientes cationes es más grande; cu•,
cu2•1
g. Según el radio iónico. ¿cuál de los
siguientes aniones es más pequeño: N 3- ,
pl-7
h. Ordenar los siguientes elementos según
otden decreciente de electronegatividad:
selenio. cloro, indio. antimonio. galio.
hierro y paladio.
i. Si se conoce la fórmula emplrica de un
compuesto, ¿qué otra mformaoón se
requiere para determinar su fórmula
molecular?
Solucionario
1. Consistía en una esfera compacta cargada positivamente y sobre la cual se incrustaban los electrones.
2. a. Z 22; A = 48. b. Z 1S; A = 35. c. Z = 7: A= 14.
=
=
3. ij X.
4. Se cla~fKan en: diaI6micas y poi aIómicas. Algunos ejemplos son: diatómicas: Cl1 y 1¡; poliatóm:cas: Ss y P, .
s.La fórmula emplrica indica los elementos presentes en la molécula y la relación mír>ma enue ellos. La fórmula
molecular indica el núme<0 exae10 de átomos presentes en la molécula.
6. Una po~ble respuesta es:AsH¡, SO2 y NH3.
7. a. Angular. b. Teuaédrica. c. Planar oigonal {triangular).
8. lóníco: se produce por transfereocia de elec1rones entre un elemento metálico y no metálico. Covalente: se
produce en1re elementos no metálicos de igual o diferente electronegati'lidad. Metálico: se establece entre
íones posití•,•os unidos poi una nube de elearones.
9. a. Sulfato. b. Fosfato. c. Carbonato.
10. Deterrrinó la estructura del átomo indicando que tenía una región central con cargas positi1•as y la may0< parte
de la masa, llamada núcleo, y fuera de este gí,aban los elec1rones, por lo que el ~tomo era neutro.
11. a. ls2 252 2p'1• b. 1s2 252 2p' 3s2 3p3. c. 1s2 2s2 2p 6 3s2 3p6 4s1•
12. Una posible respuesl<l es: et·. K• ;• P"'.
13. a. Fes. b. FeS¡. c. Fe¡S3.
14.Aumenta con el aumento de Z.
15. a.I6níco. b. Covatente polar. c. lónico. d. Covaleme apolar.
16. a. óxido ácido. h. Sal binaña. c. Hidróxido. d. Sal neutra.
17. SO¡.
Capitulo
Reacciones químicas
1"11 a idea de que la materia se comb111a y sufre cambios ffsicos y
L:I químicos. fue estudiada por primera vez en el año 1700 por el
qulmico franc~ Joseph Proust. Esta idea tuvo gran relevancia, ya que
sostenla que en una reacción química los diferentes elementos reaccionaban siempre en proporciones dehnidas.
Sin embargo, los cientlficos de la época seguían cuestionandose por
hechos que para ellos no tenlan respuesta, como por ejemplo; ¿por
qué al quemar un compuesto se pierde masa? La respues.a "en una
reacción química se libera gas, por lo que no hay pérdida de masa·,
que hoy nos parece tan simple. en esa época fue un gran descubrimiento.
m
Con este razonam,ento, descrito por Antome•Laurent de Lavois1er. se
llegó a determinar una nueva ley, la ley de consel\lación de la materia,
la cual explicaba que en el universo la masa permanece constante, por
lo que no se puede perder ni ganar masa. Esta explicación permitió
reconocer las relaoones que se establecen en una reacción química,
abnendo una nueva etapa de la qufmica. Por esta razón, se conoce a
Lavo,sier como el padre de la química moderna.
■ Organización de los contenidos
Reacciones químicas
teorías de 1as colisiones
choques efectivos
orientación
adecuada
le¡-es fundamentales
conse,vación
de la masa
proporoones
múltiples
químicos
proporciones
definidas
e11ergia de
activación
Lavoisier
tipos de reacciooes
cambios
síntesis
precipitado
irrever~bles
I01maci6n de co"l)lejo
Datton
ecuaciones químicas
Prous1
balante de ecuaciones
método
tanteo
11
descomposición
magnitudes
método
algebraico
mol
rendimie1110 de
una reacción
masa molar
volume<1
molar
sustitución
Cambio artificial. Un
cambio a,tificial es el que
produce una persona en un
laboratorio. Hoy en día. cm
el trabajo de muchos
mvestigadores. se han podido
producir nuevos materiales y
producto~ Por ejemplo. los
polimeros sintéticos como
el poliéster y los
medicamentos.
Todas las sustancias existentes en la naturaleza pueden e~pernnentar
cambios químicos o físicos.
Cambio químico
En este cambio hay una uanslormación en la composición interna de
la matena, a nivel microscópico, p0t el cual se forman nuevas sustancias con composición y propiedades diferentes. Esta translormac,ón ocurre por el rompimiento y formación de enlaces.
Este tipo de cambio se conoce como reacción
química. En una reacción química, las sustanci~nicíales se llaman reactantes y las finales.
procfuctos. La oxidación y la combustión son
ejempl~ de cambios químicos.
Procesos i rreversibles
Un cambio químico es un proceso irreversible,
ya que las sustancias, al transformar su composi•
ción interna, no pueden recuperar su estado in1<:ial.
Cambio físico
En este cambio no existe variación en la compos,cíón interna de la
materia, por lo que la sustancia inicial es la misma que la ftnal. Los
cambios de estado de la materia son ejemplos de cambios físicos.
Pro(esos reversibles
Un cambio físico es un proceso reversible, ya que las moléculas permanecen inalteradas. La transformación de las sustancias es parcial, lo
que permite volver a su estado inicial.
m
Cuando el choque no es útil
Teoria de las colisiones
se denomina choque
Esta teoria explica cómo ocurren las reacciones químicas. Postula que
para que una reacción química se produzca. los ~tomos, moléculas o
,ones deben chocar entre si. Sin embargo. no todos los choques son
útiles, ya que para obtener choques efectivos deben cumplirse ciertos
requisitos.
Orientación adecuada
Los átomos deben chocar con una orientación adecuada, choque efec•
tivo, para formar una nueva molécula. Por ejemplo. la reacción entre
el dióxido de nitrógeno y el monóxido de carbono solo ocurres, el oxigeno del N02 choca con el carbono del CO; cualquier 01ro acercamiento no produce la reacción.
Ocurre la reacción
Energia de activación (Eal
Es la mínima cantidad de energía que se
necesita para dar inicio a una reacción química, capaz de romper los enlaces existentes y lormar otros nuevos.
Cuando las molé<ulas chocan para provoca, la transformación, se produce ef complejo activado (,.), que es un estado de
transición antes de formar los productos.
Una vez que los reactantes superan la energía minima, la reacción se lleva a cabo.
elástico, en este caso las
especies se a'eian sin haber
,eacóonado. El aumento de
choques efectivos en
desmedl'o de los choques
elásticos incrementa la
cantidad de producto.
,.
En
Rt.lctMlfS
f
Si t., ene19ra es
meno, a la
ene1gia de
actwac,óo, las
partlculas solo
chocarán sin
producirse la
reacción.
11
Para representar una reacción química se utiliza una ecuación química,
que es una representación escrita de lo que ocurre en la reacción. La
ecuación qulmica se representa a través de símbolos y fórmulas, según:
Reactames
A
Donde:
+
sustancias
íniciales
Productos
e
B
se transforman en
+
D
sustancias
finares
Una ecuación química informa de una reacción:
■ las sustancias que intervienen;
■ el número de ~tomos inv uc
s;
■ la relación entre los mores de las s tanelas;
■ la relación entre las moléculas de la~ sustancias;
■ la relación entre los volúmenes de liis sustancias.
Lél\•OtSicr es con~derado el
p.-.dre ele ta química
modema.
Leyes fundamentales de las reacciones químicas
Ley de Lavoisier o de fa conservación de la masa
Antoint> Laurt>nt Lavoisier (1743-1794) enunció fo siguiente: ·en una
reacción quimica se cumple que la suma de las masas de los reactantes
es ,gua! a la suma de las masas de los productos· .
Coraprobaa0n experimental
de I.J ley de Lavoisler.
...., Jll
1' 1
Se puede comprobar experimentalmente este enunciado al medir la
masa de una muestra de carbonato de calcio (CaCO¡). Al calentar la
muestra y medir nuevamente la masa, se observa la formación de
óxido de calcio (CaO) y dióxido de carbono (CO2J. La masa total no
varía ya que es un sistema cerrado.
'.
-~
-
..
1
CaO
m
l
l 1
,.
Ley de Proust o de las proporciones definidas
En 1799, Joseph Proust (1754-1826) planteó que "para
formar una sustancia, los elem<?ntos que se combinan lo hacen en una proporción determinada de
masa. independiente del método usado para
obtener la sustancia ".
Se sabe. por e¡emplo. que el agua pura
contiene un 11,2% de hidrógeno y un
88,8% de oxigeno. Así, si se analiza una
gota de agua de la llave o los 3 millones de
litros de agua que necesita aproximadameme una p,sc,na ollmpica, siempre se
obtendrán 11,2% de hidrógeno y 88,8% de
oxigeno.
Ley de Dalton o de las proporciones
múltiples
Dallon postuló lo siguiente: ··Ias cantidades
mismo elemento que se combinan con una cantidad lija de
otro para lormar más de un compuesto, están en relación de números enteros y sencillos. como: 1:1, 2: t. 1:2, 2:3... ".
Por e¡emplo. relac,ón del oxigeno en el Oxido de cobre (1) y óxido de
cobre {11).
..
óxido de cobre (1)
-Cuo
óxido de cobre (11)
••
•
2
= -1
m
Mol. Así como una resma
son 500 hojas, una docena
de huevos son 12 huevos,
y e,, par de zapatos son
2 zapaI0~ en 1 mol hay
6,022 x 1023 entidades
elementales.
lJ:/Or:f3a ~
'¾/" , ~
'.JOBí,;1-1:~.'
-í.~
mol
De acuerdo al Sistema Internacional de Unidades. el mol es la cantidad
de sustancia que contiene tantas entidades ek:mentales (átomos.
moléculas o iones) como el número de átomos que hay en O.O 12 kg
de carbono-12.
El número de átomos que hay en 0,012 kg de carbono-I2 se determina experimentalmente y se conoce como número de Avogadro (N.> en
honor al científico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856). Este valor
corresponde a:
6.0221367 x 10 23
"W=,.
entidades elementales
Al expresar cantidades de sustal'\Eias. ~ debe indicar qué tipo de partículas son, por ejemplo. para:
\
1
1 mol de He = 6,022 x 10 23 átomos de He
1 mol de Nz = 6,022 x 10 23 motécuras de Nz
1 mol de cr = 6,022 x 1023 ,ones cr
.t)
Así como el gramo se utiliza para medir la magnitud llamada masa, el
mol se utiliza para medir la magnitud llamada cantidad de materia.
Masa molar (JO
Masa molecular. La masa
de una molécula corresponde
a la suma de las masas
atómicas de los átomos
descr~os en una fónnula
quimica.
Molécula
Átomos que la forman
8 C + 18 H
Masa molecular
(8 x t2u)+(18 x lu) = l I4u
11
Es la masa (generalmente expresada en gramos) de un mol de átomos.
moléculas u otras partlculas. Se expresa en g/mol.
,
Por e¡emplo. la masa molar del sodio es 22.99 g. esto srgnifiai que ta
masa de 1 mol de átomos de sodio. es 22,99 g y se expresa 22,99 g/mol.
La masa molar de una sustancia se calcula sumando las masas molares
de todos los átomos contenidos en la fórmula qufm,ca. por ejemplo:
2 átomos de H ..., 2 x I g/mol = 2 g/mol
1 átomo de O-, 1 x 16 gtmol = 16 g/mol
por lo tanto,
/.( H,o ➔ 2 g/mol + 16 g/mol = 18 g/mol
H20
Entonces, la masa de 1 mol de H20 (6,022 x 1023 moléculas) = 18 g.
Condiciones normales
(CN). Cuando se habla de
condici<lnes no,males se
Cómo calcular la cantidad de sustancia en moles
Para calcular cuántos moles de moléculas o moles de átomos hay en
una masa cualquiera de una sustancia. se aplica la siguiente expresión:
refie,e a:
Temperatura
o•c (273.15 Kl
Donde:
n = cantidad de materia (mol)
m = masa de la sustancia (g)
),( = masa molar (g/molJ
Presi6n
·1 alm
Volumen
Por ejemplo, para calcular cuántos moles hay en 54 gramos de H2O:
22. 4 L
m
54 9"
n - ,,
""
- 3mol
""' 18 ,,,,mol
Volumen molar
Es el volumen que ocupa un mol de un elemento o compuesto en esta·
do gaseoso. Se ha comprobado experimentalmente que en condicio·
nes normales de presión y temperatura. 1 mol de cualquier gas ocupa
un volumen aproximado de 22.4 litros.
Ejercicios resueltos
1. Calcular la masa molar del dióxido de
carbono (C02)Datos;
C= 12!)/mol
O= 16 glmol
1 átomo de C ➔ 1 x 12 gimol = 12 g/mol
H tomos de O-> 2 x 16 glmol = 32 g1mol
.Meo,= 12 g/mol + 32 g1mol
),( co,= 44 g/mol
2. ¿Qué masa corresponde a 5 moles de
moléculas de nitrógeno (Nz)7
Primero, se calcula la masa molar de N2.
s-•. ·(
),(N = 14 g/mol
),( 11, = 2 X 14 glmol
~
A.u,= 28 g/mol
~·
-,,.....
Is
.,,. si .. ct.
~ •A. ·1ti ,.¡(_
14 o l~1
Luego. se despeja m de la exp,esión:
n=;
Entonce~
m = n x ),(
m = 5 !J>OÍX 28 g/!)10(
m = 140 g
m
Cuando se escribe una ecuación qulmica. se debe comprobar que eSla
cumpla con la ley de conservación de la masa. es decir, que el número
de átomos que hay de cada elemento debe ser el mismo en ambos
lados de la ecuacrón Para lograr este equilibrio, se antepone a cada
fórmula o s!mbolo un número entero y sencillo, llamado coeficiente
estequiométrico.
Método por tanteo
Se ensayan coeficientes multiplicadores de los reactantes y productos
para que en ambos lados de la ecuación exista el mismo número de
átomos. Por ejemplo:
H2 + 02 -+ H20
Primero, se cuenta la cantid~~mos de cada elemento que hay
en ambos lados de la ecuación (antes y·después de la->).
Reacción entre el zinc y
el ácido clorhldrico.
. reacumtes
Algunas 1·eces, en las
ecuaciones químicas se
indican los estados de las
sustancias entre paréntesis:
(g) para estado gaseoso.
(1) para estado líquido.
(s) para estado $61ido.
(aq) para la sustancia que se
e<>cuentra en disolución
acuosa.
productos
~
,-
H
2
2
o
2
1
Esta ecuación no está equilibrada, ya que existen 2 átomos de oxigeno
en los reactantes y 1 en los productos. Para equilibrar, se debe poner
como fnd,ce estequiométrico el número 2 en el agua, as! lo multiplicará.
Sin embargo, quedan 4 átomos de hidrógeno en los productos y 2 en
los reactantes. Entonces, se antepone un 2 en el hidrógeno y la ecuación queda equilibrada.
2 H2 + 02 --+ 2 H20
Ejercicio resuelto
1. Equilibrar la eruación química de la combustión del gas natural.
CH, + O¡
,eactantes
....
C02 + H¡O
p,oduc10s
e
1
1
M
4
o
2
2
3
CH 4 + 2 0 2
11
➔
C02 + 2 H¡O
j
Método algebraico
En este método se establece un sistema de ecuaciones. el cual se
resuelve asignando un valor arbitrario para uno de los coel,cientes. Por
ejemplo:
Primero, se anteponen letras a cada una de las fórmulas. Estas representarán los coeficientes estequiométncos. Luego, se anotan los elementos que participan en la reacc,ón y la cantidad de átomos de cada
uno.
a Zn + b HCI
e ZnCl2 + d H2
Zinc
la
le
( 1)
=
(2)
Hidrógeno
lb
2d
=
Cloro
lb
(3)
2c
=
_,
Para resolver las ecuaciones se siguen estos pasos:
■ Se asigna arbitrariamente el valor 1 para a.
■ De la ·primera ecuación (1) se obtiene c.
• De la tercera ecuación (3) se obtiene b.
■ De la segunda ecuac,ón {2) se obtiene d.
, ,. c.., ' J
<,'.
r . ,.
J --1
a=1
c= 1
b= 2
d=1
Finalmente. se remplazan los valores en la ecuación inicial y se comprueba que esté equilibrada. Los valores iguales a l no se anotan.
Ejercicio resuelto
r
1. Equilibrar la siguiente ecuación química por método algebraico.
a C8H18 + b 0 2 ➔ c C0 2 + d H20
Carbono
Hidrógeno
Oxígeno
8a
le
18a
2d
=
2b
=
(l)
2c
(2)
(3)
Id
de (1) se obtiene e = 8
a=1
de (2) se obtiene d = 9
de (3) se obtiene b = 25/2
En este caso. donde existe un núme,o flaccíona,io, todos los coeficientes se deben muhip&car po, un fac101
que ent1egue números enteros, en este caso l. luego, se remplazan en la ecuación.
a= 2
de (l ) se obtiene e= 16
de (2) se ohtiene d = 18
de (3) se obtiene b = 25
2 C8H18 + 25 o2
...
16 CO¡
+
18 H20
La estequiometrla establece relaciones cuantitativas entre los reae1an•
tes y productos de una reacoón química.
Para conocer la información entregada por una ecuación química, se
pueden seguir 4 pasos:
■ Primero: se debe escribir la ecuación qulm,ca balanceada.
■ Segundo: se deben establecer relaciones derivadas de los Indices
estequiométricos entre los moles de los reactivos y los productos.
■ Tercero: se establecen relaciones entre las masas o volúmenes (en
caso de ser gases) de las sustancias correspondientes.
■ Cuarto: se determinan las cantidades desconocidas de acuerdo a los
datos.
Por ejemplo, al analizar la i n f : r ~,ntregada por la ecuación de
combustión del octano, se tiene:
i
Análisis estequiométrico
CO¡
H¡O
)5 02
'l6 CO2
18 H¡O
2
25
16
18
cantidad de materia (mol)
2
25
16
18
Masa (g)
228
800
704
324
Ecuación qulmica
CsH1s
02
J CaH1s
Moléculas
Ecuación química equilibrada
Ley de conservación de la masa
1.028 g
➔
1.028 g
_j
Por lo tanto, las relaciones estequiométricas son:
■ 2 moléculas de C8H 18. reaccionan con 25 moléculas de 02 para formar 16 moléculas de C02 y 18 moléculas de H20 .
■ 2 mol de C8H 18, reaccionan con 25 mol de 0 2 para formar 16 mol
de CO2 y 18 mol de H20.
■ 228 g de C8H18• reaccionan con 800 g de 0 2 para ío1mar 704 g de
CO¡ y 324 de H¡O.
■ Se cumple con la ley de conservación de la masa, ya que en los reactantes hay 1.028 g, al igual que en los productos.
11
Ejercicio resuelto
1. La Información estequiométrica entregada por la reacción de combustión del octano, aplicando
los pasos. es la siguiente:
Ecuación qulmica
C8H 18
+
02
➔
1• Ecuación equilibtada:
2 C8H18
+
25 02
➔
2• 2 moles de C8H18, ,eaccionan con 25 moles de 0 2, para forma, 16 moles de C02 y 18 moles de H20.
3' Las masas molares de las sustancias que inter,ienen son:
CsH,a
O¡
= (8 x 12 glmoQ + ( 18 x 1g/mol) =114 glmol
= (2 x 16 gimo!)= 32 glmol
(0 2 = 12 g/mol + (2 x 16 glmol) = 44 gimo!
= (2 x 1 ,¡/mol)+ 16 glmol = 18 ,¡!mol
H¡O
Entonces, la masa de cada sustancia es:
CgH,a = 114 g x 2
= 32 9
X 25
CO¡ = 44 g
X 16
O¡
H¡O = 18g
= 2289
= 800g
= 7049
X 18 = 324g
Por lo tanto, 228 g de C8H1a, reaccionan con 800 g de 0 2, para formar 704 g de C02 y 324 g de H¡O.
4° ¿CuJntos gramos de dióxido de ca1bono (C02) producirán 465 g de Oda no (C8H1s)?
228 g de CgH ,s
704 g de CO¡
=
465 g de CgH¡g
Xg de C02
x = 1.436 g de CO¡
Corno el C02 es un gas. pueden establecerse relaciones en luncióo del volumen que ocupa en condiciones
normale~
De la ecuación equilibrada podemos ve, que 2 moles de C8H18 p,oducen 16 mol de C02, y si sabemos que
228 g de C8H18 producen 358,4 l de C02, ¿cuántos liuos de CO¡ produórán 456 g de CaH,a?
228 g de C6H18
358,4 l de C02
456 9 de CgH,a = X l de CO¡
X = 716,8 L de CO¡
11
Reactivo limitante
Un reactivo limitante es el 1eac1ante que se agota primero en una reacción química, de este depender~ la cantidad m~xima de producto que
se pueda formar en la reacctón. Si una reacción ha terminado es porque el reactivo hmitante ha reaccionado por completo, A los otros
1eac1ivos que se encuentran en mayor cantidad y que han reaccionado
con la cantidad exacta de reactivo limitante, se les llama reactivos excedentes. Estos reactivos quedan sin reaccionar.
Ejercicio resuelto
1. Si se hacen reaccionar 84,56 g de óxido de boro (8 20 3) con 136 g de magnesio (Mg), ¿cuál de los
reactivos es el reactivo limitante? ¿Qué cantidad, en gramos, qued.N~reactivo excedente?
¿Qué cantidad de boro se forma? La reacción que se produce entre el bc»:o y el magnesio es la
1
siguiente:
8203 + 3 Mg-6
➔\~B ..0 MgO
6;s"J "'s
,">.,
-. . ,. 74 "!.
Reactivo límitante.
J,,.,,,,.
Prime,o se calcula la <anlidad en moles conociendo las' masas molares.1e9ún: n
n 8¡0¡ =
84, 56
,
6962
,
: 1,2 1mo!
1
mo l ~ )
nMg -
cj
136,9'
,,¡.
- 5,60 mol
24 .3,,..mo1 (i--~)
!
Como 1 mol de 8203 reacciona con 3 mol de Mg. la cantidad e,1 moles de magnesio que reac<iooan coo
1,21 mol de 8¡03 se,á:
'J)
"'
,
1 mol de B20 3 3 mol de Mg
1.21mol 8¡0¡ - x mol de Mg
Enionces. si SOlo se requiere<1 3.63 moles de Mg para reaccionar oon 1,21 mol de 8203. e inicialrnen1e se
calculó que hay 5,60 mol de 11,1g, se pu<de condurr que el reactivo limijante es el 820 3, y el excedente, Mg.
Masa de reactivo excedente.
n inicial - n final= n excedente
5,60 mol - 3,63 mol = 1,97 mol de Mg excedente
Boro formado.
1 mol de 820 3 2 mol de B
1.21 mol B20¡ = x mol de B
x = 2,42 mol de B
m
rnMg = n x .M
rn Mg = 1,971])61 x 24.3 glrpól
m Mg : 47,87 9
mB = n x .,(,(
m's = 2.42 '1)61 X10,81gl1pól
m 8 = 26, 16 g
Rendimiento de una reacción
El rendimiento de una reacción es la cantidad de producto obtenido
una vez finalizada una reacción qufm1ca.
Rend imiento teórico, real y porcentual
El rendimiento teórico es la cantidad de producto que teóricamente
deberla obtenerse. cuando reacciona todo el reactivo hm11ante. El rendimiento real es la cantidad real de ptoducto que se obtiene de una
reacción química una vez que ha ocurrido todo el proceso.
~' ~ ;;,, rj,<,.-..1
.t;'."""' :,,, ~oP.
ol\1 '
En la mayoría de las reacciones, el rendimiento real ~~or al leóriCQ. esto puede deberse a que:
■ la reacción sea reversible. El producto vuelve a f()(mar reactantes.
■ se utilicen gasés como reactivos. Los gases se escapan fi!<:ilmente.
■ los productos formados vuelven a reaccionar entre ,si, formando
otros productos y no los que se esperaban.
El rendimiento porcentual relaciona el rendimiento teórico con el real:
rendimiento r&a°I (•""""-)
% de rendimiento =
d' .
. x 100
ren 1m1ento te6 n o
..,,
i-1.__k
~
'-''•\1.-0-.0.ü,\
h.,- A.t.
J.,.,._,An
~ """'-:li,.. 1t " ; J,_
~.... .J._,_ ~ ~,.,:,.,"
tt--..,, .;:;.,"'-")
¿-g
~{•. '-·
no~~
c,,..j.._
-:t."-'-" Ll.,. ..__..e,_, •...,,
¡__...,_;:.,_
''W\/)'."l.
1. El zinc se obtiene a través de la reacción: ZnO + C ➔ Zn + CO. ¿Cuál será el rendimiento
porcentual si inicialmente se procesan 3,28 x 104 kg de ZnO y 4,76 x 104 kg de C y se obtienen,
en la práctica, ,.2,35 x 10 4 kg de Zn? .,(,(: ZnO = 81,4 gimo!, C= 12 gimo! y Zn = 65.4 gimo!.
A se expresa en gimo!, por lo que se deben convertir los kg en g. Luego, se busca el reactil'o limitantc.
3,96 x 106 mol
nZnO
~--1:)
Como I mol de ZnO reacciona con 1 mol de C. la cantidad de moles de ZnO que 1caccionan con C será la
misma. Entooces, si se ,equiereo 4,02 x 10s mol de ZnO pa,a reac<ionar con C. e inicialmeme se calruló que
hay 3,96 x 106 mol de C. Entonces, se puede concluir que el reaclMl limitante es el ZnO, •¡ el excedente, C.
Rendimiento teólico:
mZn = nx /.(
m Zn = 4,02 x 105 ¡¡rol x 65.4 g/¡¡rol
m Zn = 2,62 x 107 g = 2,62 x 104 kg
Rendiniento po,centual:
"
. .
,. de 1end1m1er10 -
2,35. 104):g
_ • IÓ')\Í • 100
2 62
% de rendimiento = 89,69 %
11
Tomando en cuenta la estructura de las reacciones químicas, estas se
pueden clasificar en:
Reacciones de sintesis
Reacciones en las cuales dos o m~s compuestos reaccionan entre si
para formar un producto. Por ejemplo, la reacción de formación del
amoniaco.
F~brica de amoniaco.
Reacciones de descomposición
Reacciones en las cuales una sustancia
se descompone para formar dos o ~
productos. Por ejemplo, la descamposición del clorato de potasio en doruro de potasio y oxígeno.
•
1
"'\,
',
2 KCI03 -> 2 KCI + 3 0 2
Cloruro de potasio.
Reacciones de sustitución o
desplazamiento
Reawones en las cuales un elemento desplaza a otro
dentro de un compuesto. Pueden ser de óxido-reducoón o de precipitación, de acuerdo a la especie qulmica que esté presente. Por ejemplo, la reacción entre el
zinc y el sulfato de cobre.
Zn + CuS04
Reacciones de doble sustitución o
doble desplazamiento
Reacciones en las cuales existe
un intercambio de elementos
en dos o mas compuestos. Por
e¡emplo, la reacción en que se
forma cloruro de sodio.
HCI + NaOH _, NaCI + HzO
m
-, Cu + ZnS04
Reacción de formación de complejos
Reacción en la cual el producto es una sustancia compleja. La sustan•
cia producida se llama complejo o compuesto de coordinación. es
una sustancia formada por un átomo o catión central rodeado
p0< moléculas o aniones. geométricamente ubicados. Por
ejemplo, la reacción entre el cloruro de hierro y el tiocianato
de potasio, que da como producto el complejo llamado
hexatiocianoferrato (111) de potasio, de color rojo intenso.
HeX<1tioc,anofena10 (IHJ de
Reacción de precipitación
Reacción que ocurre en un medio acuoso,
en la que uno de los productos es una
sustancia poco soluble, la que se
deposita en forma sólida (precipita).
Por ejemplo, en la reacción entre el
yoduro de potasio y el nitrato de
plomo (11), ambas disoluciones son
incoloras y al mezclarse forman el
yoduro de plomo de color amarillo,
el cual precipita.
l~et1pilación del yoduro de
piorno (N).
Reacción de combustión
Reacción en la cual los reactivos son un combustible y el oxigeno del aire, y los pro,
duetos, el dióxido de carbono y el
agua. Por ejemplo, la combustión
del metano.
11
Ejercicios
1. Determinar si la situación corresponde a
cambio flsico o cambio químico.
a. Condensación del agua.
b. Disolución de azúcar en agua.
c. Corrosión de un metal.
d. Combustión del petróleo.
e. Ciclo del agua.
2. De atuerdo a las siguientes ecuaciones:
l. N¡ ♦ 3 H¡ -> 2 NH3
11. C ♦ O¡ -, CO¡
6. La fórmula del amoniaco es NH¡. es decir.
tiene tres ~tomos de hidrógeno unidos al
átomo de nitrógeno.
a. ¿Cuál de tas leyes fundamentales describe
el enunciado anterior?. ¿por qué?
b. ¿Cuántas docenas de átomos de
hidrógeno deberían combinarse con dos
docenas de átomos de nitrógeno?
c. ¿Cuántos átomos de nitrógeno se
requieren para ser combinados con
9 x (6,022 x 1023) átomo~deñid~ .no?
111. 2 CsHs ♦ 25 O¡ -, 16 CO¡ + 18 H¡O
a. Indicar tos reactantes de las ecuaciones
1ylll.
b. Indicar los productos de las ecuaciones
ll ylll.
3. Calcular la masa molar de los siguientes
compuestos.
a, Óxido de carbono (IV) (CO 2).
b. Cloroformo (CHCl3).
c. Vitamina C o ácido ascórbico (C&HaO,¡}.
d. Clorofila (C55H72M9N,,05).
4 . Calcular el número de moles contenidos en:
a. 5.1 0 gramos de azufre.
b. 6.46 gramos de helio.
c. 130 gramos de dióxido de carbono.
d. 77.4 gramos de calcio.
5. Indicar el tipo de reacción qulmica.
7. Se analiza la composición de dos muestrás. A
y B, que contienen únicamente cobre y bromo.
Los resultados son los siguientes:
bromo
cobre
Muestra A
160 g
127 g
m
25.4 g
a. ¿Cuál de las leyes fundamentales describe
el enunciado del ejercicio?. ¿por qué?
b ¿Las muestras corresponden a un mismo
compuesto o provienen de compuestos
diferentes?
c. ¿Cuánto bromo se re<¡uiere para
combinarse completamente con 2,5 g de
cobre. según la muestra A?
d. Una muestra C contiene 9,45 g de bromo
y 3.75 g de cobre. ¿La composición de
esta muesira es diferente a las anteriores?
8. Realizar el análisis estequiométrico de la
siguiente reacción:
a. Nz + 3 H, - > 2 NH3
b. C + O¡ -, CO¡
c. Zn ♦ HCI -, ZnCt2 ♦ H¡
d. 2 HgO ➔ 2 Hg + 0 2
Muestra 8
64 g
a. Ecuación balanceada.
b. Moléculas.
c. Cantidad de materia.
9. Realizar el balance de las siguientes
ecuaciones.
a. a C2H, + b H2O ➔ e C2H6 + d 0 1
b. aAJ20¡ + b H¡O ➔ e Al(OH}¡
c. a lJ(OH) + b H3P04 ➔ e Li 3PO• + o H20
d. a A.~OH)) + b HzSO, ➔ e Al1(S04)¡ + d H20
e. a Cr03 + b H2O ➔ ( Cr(OH)s
f. aFe10 3 .. be --, eFe + d
g. a C12H220 11 + b 0 2 ➔ e (02 + d H20
h. a FeS2 + b 0 2 ➔ c Fe20 3+ d S03
i. d HNO¡ + b Cu ➔ CCu(NOJl2 + C N02 + e H20
j . ,1 CH,+ o H¡O +e N¡ + d 02 ➔ r NH¡ + 1CO¡
k. a (¡f¼+ \> 02 ➔ C C02 + d H20
l. a SO1 + b 0 2 ➔ e SO¡
m. a H2SO4 + b NaOH _. c Na2S04 + d H2O
co
10. La urea se forma principalmente en el
hlgado como producto del metabolísmo. Es
un compuesto químico cristalino que se
encuentra abundantemente en la orina. En la
indu.stria se realiza a partir de amoniaco
(NH3) liquido y anhídrido carbónico (COi)
gaseoso, según la reacción química:
2 NH¡ + CO¡ ➔ (NH¡)¡CO + H•20
Si se hace reaccionar 637,2 g de amoniaco
con 1.142 g de anhídrido carbónico:
a. ¿Cuál de los dos es el reactivo lim,tante?
b. ¿Qué cantidad de urea se forma?
c. ¿Cuál será el rendimiento porcentual si
una vez que ha ocurrido tocio el proceso
se obtienen 980 g de urea?
Solucionario
1. a. ~amoio físico. b. Cambio físico. c. Cambio químico. d. Cambio químico. e. Cambio físico.
2. a. Reactantes ecuación 1: N2 y 3 H2; reactantes ecuación 11: C y 0 2• b. Producto ecuación 11: C0 2; Producto
ecuación 111: 16 C02y t8 H¡O.
3. a. 44 g.lmol. b. 119,5 g/mol. c. 176 g1moL d. 892,3 gimol.
4. a. O, 16 mol. b. 1,62 mol. c. 2,9S mol. d. 1,93 mol,
S. a. Síntesis. b. Sintes·s. c. SustituCJón. d. Descomposición.
6. a. Ley de las propo1ciones definidas, ya que la proporción de átomos siempre será 3: 1. b. Seis docenas de
átomos de hidrógeno. c. Conservando la proporoón definída, se requie,en 3 x (6,022 x 1023) átomos de
nitrógeno.
7. a. Ley de las proporciones múltiples, ya que la masa de bromo es diterente en cada una de las muestras.
b. Las muestras A y 8 son de compuestos diferentes, bromo en A es el doble que en B para una masa fija de
cobre. <. Son necesa,ios 3.1 S g de bromo. d. la composioón de fa muestra C tiene la misma composición que ta
muestra 8.
8. a. 2, 3, 4, 3. b. 2, 3, 4, 3. c. 2. 3, 4, 3.
9. Loscoefi<ientes esteqtfomé1ricos son: a. a: 2, b: 2, e: 2, d: 1. b. a: l. b: 3. e: 2. <. a: 3. b: 1, e: l. d: 3.
d. a: 2, b: 3, c: 1, d: 6. e. a: t. b: 3, c: l. f. a: 1, b: 3, c: 2, d: 3. g. a: 1, b: 12, e: 12, d: 11.
h. a: <1, b: 15, e: 2, d: 8. i. a· 4, b: 1, e: 1, d: 2, e: 2.j . a: 7, b: 10, c:8, d: 2, e: 16, í: 7. k. a: 1, b: S. e: 3, d: 4.
l. a: 2. b: t, c: 2. m. a: 1, b: 2. c: 1, d: 2,
10. a. El reactivo limitante es amoniaco (NH¡). b. Se obtienen 18,74 moles de urea. es decir, 1.124.4 9.
c. El rend'mien10 porcentual es 87, 15%.
11
Estados de la materia
r:.I uando un astfonauta ve la Tierra desde el espacio, distingue la
li::latmósfora que envuelve la superficie terrestre y que pe,mite a
los seres vivos posee, un recurso tan vital como el aire.
La Tierra aparece como una inmensa superficie esfénca azul. parcialmente intertumpida por zonas de contorno definido. las cuales forman los
continentes. Se sabe que toda esa masa azul es agua, y que los distintos
organismos la utilizan, según sus requerimientos, para poder sobrevivir.
m
Al ir acer~ndose a la superficie terrestre. puede distinguir los diversos
colores y aspectos que esta presenta, los que dan cuenta de los recursos que entrega. Por ejemplo, en suelos oscuros como los orgánicos se
siembra; en suelos más daros y estables, se construyen edificaciones,
y en suelos rocosos y de colores, como rosados, verdes y azules, se
obtienen minerales.
■ Organización de los contenidos
Estados de la materia
propiedades
físicas
rocas
gaseoso (aire)
líquido (agua)
sólido (tie<ra)
E uóoo J
esuuctura
molecular
estructura de
la atmósfera
contaminación
contaminación
composición
química
propiedades
suelo
propiedades
físicas
fisicas
leyes de los
gases
artificial
estructura
cristalina
propiedades
disoluciones
no metálkosl
unidades de
concenuadón
tipos
valor de un mineral
11
factores que
la afectan
propiedades
coliga11vas
IJ La1ierra
1
Composición química y propiedades físicas
Propiedades flsicas
Composición qulmica
■ La litosfera es la capa ri91da más externa de
e la corteza continental está formada por
la tie<ra. Debido a las diferencias de
rocas lgneas. metamóriicas y sedimentarias;
temperatura, su espesor es mayor bajo los
la cOfleza oceánica. por rocas ~s densas.
continentes.
fundamentalmente grabos y basaltos.
■ El manto superior. comparado con la corteza. ■ La astenosfera está formada POI rocas que
se encuentran cercanas a su punto de fusión,
está formado por rocas neas en hierro y
debido al aumento de la temperatura por
magnesio, y pobres en silic,o, El manto
encima de la presión. En esta capa se
inferior se forma por sustancias metálicas
ricas en hie<ro y magnes,o.
produce fusión parcial de las rocas.
■ La mesosfera es ~s rígida, ya que las altas
■ El núcleo externo está formado por hierro y
níquel, y peque~as cantidades de elementos
pres10nes que existen a estas profundidades,
compensan el efecto de las altas
de menor masa molar. El núcleo interno se
temperaturas. El núcleo externo se comporta
compone básicamente de hierro.
como un fluido y el núcleo interno se
encuentra en estado sólido.
L
m
Rocas
Las rocas son agregados naturales de minerales formados bajo un
mismo proceso. Están formadas por uno o más minerales, en dis1intas
proporciones.
En la litosfera se pueden dislingu,r 3 upos de rocas. las cuales se diferencian de acuerdo a los procesos de formación en:
Rocas ígneas o magmáticas
Rocas sedimentarias
Rocas metamórficas
Se originan por la solid1ficac1ón. Formadas por la desintegración Se forman a partir de rocas
en profundidad o superficie, de
minerales fundidos del manto o
la corteza terrestre.
Un eJemplo es el granito.
de las rocas que se encuentran
en la superficie terrestre. Los
fragmentos son trasladados
y depositados en el fondo
marino, ríos o lagos.
Un ejemplo es la cahza.
preexistentes, lgneas o
sedimentarias, debido al
cambio en las condkiones de
presión, temperatura,
humedad y factores químicos.
Un ejemplo es el mármol
Ciclo de las rocas
m
Un mineral es un sólido inorgánico, que se ha formado a través de un
proceso natural y que posee una composición química definida. lo que
le otorga propiedades y características determinadas. y por tanto se
puede representar a través de fórmulas químicas.
Según como estén ordenados los átomos, ion_es o moléculas en un sóli•
do. se pueden enconuar sólidos cristalinos y sólidos amorfos:
■ un sólido cristalino tiene sus partículas internas ordenadas tridimensionalmente, de acuerdo a formas geométricas.
■ un sólido amorfo carece de una estructura ordenada geométricamente. Se podría decir que se asemeja más aÍm"1i<ll(ÍdO, sin forma
definida.
'-\
\
•
Estructura cristalina
Un sólido cristalino está formado por celdas de unidad, que son unida•
des fundamentales que se repiten indefinidamente. Cada sólido cristalino se representa por uno de los siete sistemas a istalinos (cúbico simple,
tetragonal, rómbico, etc.), de acuerdo a una celda de unidad definida.
El ópalo es un sólido
amorío.
Sistemas cristahnos y sus celdas de unidad
cúbico simple
b
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-~. · -210-~&a'
11•. J.
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triclínico
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ortorómblco
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hexagonal
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a • y • 90º "' ll
t
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a = b= c
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monocllnico
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~
7
a=b;<c
a • ~ • 90°: y • 120". 60"
Propiedades físicas de los minerales
■ Dureza. Resistencia que opone la superficie lisa de un mineral a ser rayado . En la
escala de Móhs, los minerales se ordenan
de tal lorma que cada uno raya al anterior
y puede ser rayado por el siguiente.
■ Fractura. Forma en que se parte un mineral al ser golpeado. Algunos tipos son:
concoidea, que forma una superficie curva
y suave; fibrosa. que al partirse quedan
astillas. y las fracturas irregulares.
■ Exfoliación. Tendencia que tienen los
minerales a partirse en láminas planas y
paralelas a la cara de un cristal.
Tipos de cristales
Los enlaces por los cuales están unidas las
partículas de los sólidos cristalinos determinan su estructura y propiedades, por ejemplo: punto de fusión, dureza y densidad. Asl
se encuentran los minerales iónicos. covalentes, moleculares y metálicos.
ESCALA DE DUREZA DE MÓHS
MUY BIANDOS
(se rayan con la ulla)
BLANDOS
(se rayan con navaja)
t . Talco
3. Calcita
2. Yeso
DUROS
(rayan el cristal)
6. Ortosa
5. Apatita
MUY DURO
(raya a todos lo demás)
7. Cwrzo
8. Topacio 9. Corindón
Cristales i6nicos
4 . Fluorita
10. Diamante
Cristales covalentes
■ Unidos por fuerzas electrostáticas.
■ Unidos por enlaces covalentes.
■ Duros y quebradizos.
■ Duros.
■ Malos conductores térmicos y eléctricos.
■ Malos conductores térmicos y eléctricos
■ Poseen puntos de fusión altos.
(excepto el diamante que es buen conductor
térmico).
■ Poseen puntos de fusión altos.
Por ejemplo, el cuarzo (510 2).
Por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCI).
Cristales moleculares
Cristales metálicos
■ Unidos por fuerzas intermoleculares.
■ Unidos por enlaces met~licos.
■ Malos conductores térmicos y eléctricos.
■ Varían de duros a blandos.
■ Poseen puntos de fusión bajos.
■ Buenos conductores térmicos y eléctricos.
■ Poseen puntos de fusión variables.
Por ejemplo, el yodo (12) .
Por ejemplo, el hierro (Fe).
-
11
Oro. El 6S% del 010 se
obtiene de lavaderos y minas,
y el 35% restante prn,iene
de la refinación de los
<on<entrados de <obre.
Propiedades químicas de los minerales
Todo mineral se puede reconocer de acuerdo a las propiedades qulmi•
cas que presente. Por e¡emplo. al conocer los elementos de los cvales
están formados y cómo reacc10nan frente a determmados reactivos.
Pruebas para reconocer las propiedades químicas de un mineral.
• Determinar si es soluble en agua.
• Ver s, al calentarlo se funde, desprende vapo~pierd~gua.
• Determinar si reacciona con ácido clorhldrico.
\
■ Someterlo al test de la llama, es decir, colocar el mineral directamente a la llama de un meche<o y obsetvar si em,te luz de algún color.
Clasificación química de los minerales
■ Estructura química. Se basa en la composic,ón qulmica de los minerales y el anión o grupo de aniones que lo componen.
Clasificación
Ejemplos
tlementos nati-1os
diamante (C); oro (Au): plata (Ag)
Suffuros y sulfosales
pirita (FeS2); calcopirita (CuFeS¡}; blenda (ZnS)
óxidos e hidróxidos
oligisto (Fe 203); limonita (FeO(OH) xH10)
llaluros
halita (NaCI): flu01i1a (Caf¡)
Carbonatos
calcita (CaCO:¡); sider'ta (FeCO¡)
Nitratos y boratos
salitre (NaNO¡}: bórax (Na28,0 7 x4H¡O)
¡Sullatos y aornatos
yeso (Caso,, 2H¡O): aocofta (PbCrO,l
rfosfatos, arseniatos, ,anadatos, wolframatos y turquesa (CuAl (P0 l,(OH)s, SH¡O); wollramita (FeMn(WO¿))
molibdatos
Sificatos
6
4
cuarzo {S.O2); ópalo (5•0 2 , H¡O); talco (Mg¡Si4O10 , (OH)2)
■ Relación propiedad-uso. De acuerdo a las propiedades y los usos que
se les den a las sustancias que se obtienen de ellos, se clas,frcan en:
Minerales metálicos
Minerales no metálicos
■ De ellos se extraen los minerales que se usan
■ De ellos se extraen los metales ulllizados a
diario, por ejemplo, cobre para fabricar
generalmente en la agricultura, en la
industria
química, en la elaboracrón de
canena~ y alambres.
■ Se caracterizan por ser maleables, dúctiles y
fertilizantes.
buenos conductores del calor y la electncidad. Por ejemplo: caliza, azufre, ni tratos. yodo,
Por e¡emplo: cobre, hierro, oro, manganeso,
carbón.
pldta.
m
Minera les metálicos y no metálicos en Chile
L
Minerales no metálicos
Minerales metálicos
Zona norte
Cobre, moli>deno, plata, oro. hierro y
manganeso.
Zona norte
Diatomita, bentomta, borat0$, )'odo. compuestos de litio,
compuestos de potasio, salitre, apatita, nitratos, carbonato de
calcio. ácido sulfúrico, fosfato, cuarzo, má1111ot. lapislJwli y cal,la.
Zona centro
Coble, molbdeno, plata y oro.
Zona centro
Cuar.10, carbonatos. talco, caolín, puzo1asa, p110Mita, caliza,
arenas silíckas. arcilla, ta'co. yeso.
Zona sur
Zona sur
Arcil a, talco, caliza.
Zinc, plomo. cobre, plata y oro.
Valor d e un mineral
u, geologfa minera se dedica al estudio de las
relaciones entre los minerales de un yacim,ento, y su aprovechamiento econom,co. l os yacimientos son acumulaciones naturales ele minerales.
Para explotar un yacomoento se debe hacer
un estudio geológ,co
de este. Asi, es posible
determinar y estudiar:
■ fas menas, qut> es el
mineral o agregado
apto para fa comercialización:
■ las gangas, que es el
mineral que se encuentra
asociado a la mena peto que
no tiene ningún valor comercial.
El contenido met~f,co de la mena. expresado en
porcenta¡e. se conoce como ley del mineral. En Chile, las menas de
cobre contienen un 1,5% de cobre y un 0,03% de molibdeno.
Chuquicamata. \.tir a de
cobre más grande del munco.
Se encuent,~ ubiead~ en la
11 Región de Chile.
m
Edafologla. Es la ciencia
que estudia las p,opiedades y
la composición del suelo.
El suelo es una capa superficial formada naturalmente, que hospeda
en su interior materia viva, sobre la cual puede desarrollarse una
cubierta vegetal. Está formado por una porción mineral que proviene
de la degradación de las rocas, y por una porción orgánica, que se
forma por la des<ompos1ción de vegetales y animales. Estas porciones
evolucionan permanentemente debido a la acción de factores como el
clima y los seres vivos.
De acuerdo al tama~o de las partfculas que co~ll{' el suelo, se han
dividido de la siguiente forma:
'¡
Escala granulométrica
Ardle
Al.afina
1
20mm
2 mm
0,2 mm
'
1
0,02 mm 0,002 mm
Perfil del suelo
Muestra cómo se distribuyen las
partlculas del suelo en cuatro
capas llamadas horizontes.
• Horizonte A. Primera capa del
suelo, donde se acumula
matena orgánica y se forma el
humus.
■ Horizonte B. Su origen es
Horizonte A
Horizonte B
mineral; sin embargo,
también se encuentran restos
orgánicos.
■ Horizonte C. Formado por
rocas desintegradas
provenientes de la roca madre.
Hotizonte C
• Horizonte R. Conocida como
roca madre, ya que da
origen a los otros horizontes.
F.s la capa más profunda.
m
Honzonte R
T,pos de suelos
Suelos rocosos
l..l roca aparece en la superficie, ya que no posee horizonte A ni B.
Son duros, impermeables.
Tienen un aspecto seco.
Suelos arenosos
Son porosos y permeables, dejan pasar el agua con facilidad, ya que
sus partículas están muy sueltas.
a No retienen humedad.
Suelos arcillosos
■ Su textura es blanda.
■ Son más compactos que los arenosos, menos permeables.
■ Retienen la humedad.
Suelos orgánicos
■ Tienen gran cantidad de materia orgánica.
■ Son permeables y esponjosos.
■ Retienen una cantidad de humedad sufic1en1e para ser íéniles.
;
El suelo vegetal. Un suelo
óptimo para la agricul1u1a
debe tener un porcentaje
adecuado de a1cilla y limo,
arena y grava. y elementos
q~fmicos indispensables para
el desarrollo vegetal.
Suelo cultivable
Alteraciones
Contaminación
Erosión. Proceso natural de
degradación del suelo cultivable. 1'
causado por agentes externos
como la lluvia y el clima.
Desertificación. Acumulación
de arena, carente de mate1ia ¡
orgánica, sobre suelos
il
cultil'ables.
Ex,plotación intensiva. Una
superficie se utiliza
reíteradamente para cultiva,, en
peiíodos cooos de tiempo.
-~
Plaguicidas. Productos químicos
uy tóxicos absosbidos por el suelo.
Pe1manecen por mucho tiempo.
Fertilizantes. El abuso de
estos puede causar daño en
los cultivos y en el suelo.
Ademá~ contamina el agua.
¡
1
Explotaciones forestales. La tala
deja los bosques descubiertos y
exwestos a la erosión, aumentando
la ca111idad de tierras infé~ile>.
•~
'.::::1!
m
•
11 El a ua
El agua es una sustancia vital para todos los ecosiste"¡<!S existentes en
el planeta, ya que todos los seres vivos dependen d1 su presencia . El
agua es muy abundante, ocupa aproximadamente el 70% de la superficie de la tierra; sin embargo, el porcentaje de agua q ~ puede ser uti•
lizada por los seres vivos par,) realizar sus funciones básicas es muy
pequeña.
•••••••••• ,1•..........
•········ 1••······ .
.•.•...•.•
.......... .......... ..........
Distribudón del agua en la t ierra
••••••••••
.1■••·······
/ ••••••••••
••••••••••
i ••••••••••
i • • • • • • • •• •
Í ••••••••••
••••••••••
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•••••••••
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¡ •••••••••• /
········••¡
.......... , ..........
..........
••••••••••• ••••••••••
,
Total de agua en el planeta
Total de agua dulce
~
97.5% a91Jas oceánicas
(salada)
2,5% aguas continentales
(dulce)
■
■
1% agua dulce supemcial
■
■
■ -
79% hielo
20% aguas subterráneas
El agua en la atmósfera
A la atmósfera llega vapor de agua procedente de ríos,
lagos y océanos. Luego el vapor de agua se condensa
formando las nubes. que son gotas de agua
microscópicas. Estas P<Jeden caer a la tierra de la
siguiente torma:
• Cuando las gotas alcilnzan un tamaño
suficientemente grande. caen por
acción de la graved.)d como lluvia.
■ Si la condensación se produce
a temperaturas muy bajas,
caen como nieve.
• Si el enfriam,ento es
brusco, caen en
forma de granizos.
CI
--
Total de agua dulce supeñicial
50% lagos
38% suelo
10% atmósfera
-
1% IÍOS
1% se1es •:ivos
El agua en los
seres vivos
Adulto
(70% aprox.)
Animales
Algas verdes: 98%
Medusas: 97%
Babosas: 83%
Sandia· 93%
E1i20 de mar: 76%
Est ructura molecular del agua
El agua:
es un compuesto formado a partir de dos elementos gaseosos: el
oxigeno y el hidrógeno.
su formula química es H20 . Esta indica que posee 2 átomos de
hidrógeno y 1 átomo de oxigeno.
en esta molécula, los átomos de h,drOgeno se unen al oxígeno a tra•
vés de enlaces covalentes.
■ contiene dos pares de electrones enlazantes y dos pares de electro•
nes libres sobre el átomo central de O.
■ posee geometría angular. Esto se debe a que los pares de electrones
libres 1ienden a alejarse lo máximo uno del otro, provocando que los
pares enlazantes (0-H) se acerquen entre ellos, formando un ángulo de 104,5°.
■ cada molécula de agua se une a otra por puentes de hidrógeno. En
este enlace, el hidrógeno de una molécula de agua (zona positiva)
es atraído por un oxigeno de otra molécula (zona negativa). Esta
,nteracción es la responsable de las propiedades flsicas del agua.
■ es una sustancia que naturalmente se encuentra en los tres estados:
sólido. liquido y gaseoso.
Electrólisis del agua.
Cuando se hace paxir
co~ienle eléctrica a tiavés del
agua, se pueden recoge, dos
gases: el hidrógeno y el
oxígeno.
Molécula de agua.
- - - - • Puentes de hidrógeno
- - - • Enlaces covalentes
m
Densidad
.____,--,'
La max1ma densidad del agua pura se alcanza a los 3,98
lera de presión, y corresponde a I g/cm3.
•e y 1 atmós•
Variación de la densidad
Estado
Timpano. El
comportamiento inusual
del agua permite que el
hielo flote en la superficie
dcl mar.
Sólido
liquido
liquido
liquido
liquido
liquido
Variación
Densidad del agua con la temperatura
Densidad (g/cm 3)
de la temperatura f'Q
o
o
0,9168
0,99984
3,98
1,0000
10
0,99970
20
0,99821
100
0,95849
Fuente: HiJndbook of Chemistry and Phtl,-a, 84ª edición, 2003-2004. CRC P,ess.
Comportamiento excepcional del agua
El agua. a excepción de otros liquides, en estado sólido posee menor
densidad que en estado liquido. Esto se debe a que en estado sólido
las moléculas de agua se enlazan en una red tridimensional ocupando
mayor espacio. es decir, el agua posee mayor volumen en estado sóli·
do. Este comportamiento es inusual, ya que el resto de los liquides, al
pasar al estado sólido, se contraen.
Tensión superficial
Se define corno la fuerza elástica
que hay en la superficie de un líquido. Las moléculas que se encuen•
tran bajo la superficie del agua son
atraídas en todas las direcciones
por fuerzas interrnoleculares. En
cambio, las que se encuentran en
la superficie, solo son atraídas
hacia abajo o hacia el lado por
otras moléculas. provocando que
la superficie se tense corno una
capa elMtica.
Punto de ebullición
Es la tempe,atu,a a la cual la p1esión de vapor de un liquido se iguala
a la p,esión atmosférica externa. Pa,a el agua, el punto de ebullición
es de 100 °C.
Cuando se llega al punto de ebullición se forman burbujas en el liquido, las que ocupan el espacio donde se encontraba el líquido inicialmente, aumentando su nivel. Una vez que se iguala la presión de vapor
con la presión externa, la burbuja sube y, cuando llega a la superficie.
se revienta.
Punto de ebullición . El
punto de ebullición de un
liquido depende de la p,esión
externa. ro, ejemplo, a nivel
del mar, el agua hiel\/\? a
100 'C; sin embargo, si se
hace heivir agua en una
montaña, la tel1'4)eratu1a a la
cual helVirá será menor.
Punto de fusión (o solidificación)
Es la temperatura a la cual coexisten en equilibrio la fase sólida y llqui•
da a t atmósfera de presión. Para el agua, el valor del punto de fusión
es de o •c.
Calor específico
Es la cantidad de energla calórica que se necesrta para elevar en 1 °C la
temperatura de 1 g de agua. El calor especifico del agua es 1 cal/g "C.
El agua tiene una capaddad termorreguladora, esto quiere decir que
cuesta elevar su temperatura y demora en enfnarse. por lo que entrega lentamente al medio el calor que contiene. El alto calor especffico
del agua ayuda a templar la temperatu,a ambiente.
Curva de calentamiento del agua
T~ Punto de eWtición
Vapor
/
e
Punto de fusión
líquido
Sólido y liquido
en equilibrio
A
B
Liquido y vapor
en equilibrio
Como se observa en !a curva
D
de calentamiento, la sección
AB es menor que la $CC<i6n
CD; esto se debe a que una
misma sustancia funde en
menor tiempo ~I que se
demora en her1,it
Sólido
11
11 Composición iónica
Composición iónica del agua
Las aguas oceánicas y continentales están formadas por sólidos disueltos en distintas proporciones. y estas a su vez varlan según l'a región en
que se encuentren.
Una muestra de agua de rlO
cercana al mar tiene una
0,1
0.4
0.2
11
0,03
0,4
0,4
0,08
mayor concemración de
,ones q1.1e vna rnues1ra que
se tome cerca de una zona
20
cordi leracia.
0,004
Nota: Estos val01es osc,lan no101Iamen1e para el caso del agua dulce.
Dureza del agua
La dureza del agua se establece de acuerdo a fa cantidad de sales
minerales disueltas en el agua. Asl se tienen las:
■ aguas blandas, que no poseen iones disueltos o los poseen en muy
bajo porcentaje.
■ aguas duras contienen iones calcio o magnesio en altas concentra•
ciones.
Estas sales pueden causar inconvenientes, en el lavado doméstico o
industrial, ya que reaccionan con el jabón formando sales insolubles
que impiden la formación de espuma, afectando la acción limpiadora.
Agua dura. l as sales de
calcio y magnesio se
tepositan como costra
akededor de las lla·,es o en
el selJ)emin de los heNid0<es
eléctricos.
m
La dureza del agua puede ser temporal o permanente. esto dependerá
de las sales disueltas en el agua. Por e¡emplo, los bicarbonatos de calcio o magnesio causan la dureza temporal del agua. la cual se puede
eliminar mediante la ebullia6n del agua; los sulfatos de calcio o magnesio provocan la dureza permanente del agua, la cual se pue<le ehm1nar por un proceso en el que el agua se hace pasar por un cilindro que
contiene una resina, produciéndose un intercambio i6nico emre los
iones calcio y magnesio con el ion sodio que contiene la resina.
Ciclo del agua
Condensación
Autodepuración natural
El ogva se pvrifica naturalmente a través de sv c,clo, en el cval ocurren
determinados procesos:
Los ríos y lagos reciben diariamente miles de contaminantes, por lo
que existe una gran cantidad de sustancias disueltas en ellos. A través de la evaporación y posterior condensación del agua, se elim,na
casi la totalidad de estas sustancias.
En el agua existe la presencia de bacterias
descomponedoras. qve transforman
todos los restos orgánicos en
materia sencilla que puede
degradarse.
Bajo el agua se encuentra el suelo formado
por arena y piedrecillas, lo qve provoca el
proceso de filtración
natural del agua,
reteniendo partículas
de gran tamal\Q suspendidas en ella.
En la tierra, el agua se
encuen11a en estado sólido.
liquido y gaseoso. Sin
embargo, la energía que
enuega el sol permite que
esta se uansfo,me de un
estado a otro y que esté en
constante circulación por el
planeta.
11
Bioacumulación. Los
metales pesados y las
sustanc,as org~nicas.
pasan de un eslabón a
otro en la cadena
alimentana.
1 Tamizado. Impide el paso
de objetos sólidos
2 Precloraclón . Para
eliminar los microorganismos.
Se agrega cloro gaseoso.
3 Floculación. Se agr~n
productos químicos para
retirar panículas sólidas en
suspensión.
4 Sedimentación. Las
panículas retenidas en la
lloculadón caen por gravedad
al fondo de los estanques.
5 Filtración. A tra·,és de un
litro de arena y piedras, se
retiran las impurezas.
6 Cloración. Se agrega
cloro gaseoso para evitar la
contaminación po¡ la
p1esencia de bacterias
patógenas en el trayecto.
7 Fluoración. Para prevenir
las caries en la población,
se incor()llfa al linal del
p1oceso. una etapa en la que
se burbujea flúor.
m
Existen dos tipos de contaminación del agua: la contaminación natural
se produce cuando el agua pasa a través del aire formando ocidos y
otros compuestos, o por el suelo, mezclándose con minerales; la con•
taminación artificial es prodvcida por el ser humano en actividades
industriales, agrícolas y domésticas.
Ent,e los principales contaminantes artificiales se encuentran:
■ las sustancias tóxicas, como los metales pesados plomo y cadmio,
que son arrojados a los nos o mares por las industrias mineras. Estos
metales no reaccionan con el agua, por lo que se acumulan en los
seres vivos (bioacumulación).
■ algunas sustancias ácidas originadas de actividades m,neras varían
el pH y la salinidad del agua, debido a que forman sales.
■ los nutrientes en exceso, provernentes de las actividades agrícolas,
industriales o doméshcas: estos aumentan la concentración de
iones, como fosfato (Pol-) y nitrato (NO)), provocando vn aeci•
miento acelerado de las algas del fondo acuático (eutroficación).
■ los residuos urbanos formados por una mezcla de materia orgánica
y matenales sólidos, conocidos como aguas servidas.
Tratamiento de agu as contaminadas
Potabilización del agua
2 Predoración.
Ttatamiemo previo con doro
Planta d e tratamiento de aguas contaminadas
Tamizado. Proceso por el cual se
separan sólidos de gran tamaño.
Sedimentación. Las partículas de gran tamaño decantan
por efecto de la gravedad, dejando el agua l:b,e de un 3S%
de los comaminames.
0
1 l
Tr.1ta,.,~to preliminar
Tratamiento pnmarlo
Degradación bacteriana. Las
bacterias descompooedoras
utilizan el oxigeno (aeróbicas) para
degrada, la mate11a orgánica.
3 1
Tratd.m1i::nto ..ecundar,o
Eliminación por
decantación de
los sólidos
existentes aún.
Desinfección. Adición de doro
gaseoso para eliminar los
míaoorganismos existentes.
0
Tratamiento químico. Operación que deja libre el agua de
metales pesados y otros tóxicos mediante procesos químicos.
El agua resultante tiene un 98% de pureza.
0
Planta depuradora de aguas contaminadas
Debido al aumento de las actividades industriales y agrícola.s. y al crecimiento de la población, se ha debido disel\ar un sistema de limpieza
de las aguas de descargas vertidas a los cursos naturales: las plantas de
tratamiento de aguas se111idas. En ellas se purifica el agua para ser nuevamente utilizada en regadíos, en la producción industrial o para el uso
doméstico.
m
IJ Disoluciones
Oísoluciones acuosas. Un
núme,o sign'ficativo de
reacciones químicas ocunen
en una disolución donde el
disolvente es agua. Esto se
debe a que el agua disuelve
ramo sales y coll'1)uestos
lónicos como sustancias
orgánicas indispensables pa,a
la vida. Poseen puntos de
fusión y ebullición altos y
tienen un bajo cosro.
Una disolución química es una mezcla homogénea for ada por un
soluto y un disolvente. El soluto es la sustancia que se ~cuentta en
men()( cantidad, también se conoce como fase dispersa; el disolvente
es la sustancia que se encuentra en mayor cantidad.
l
disolución = soluto + disolvente
Clasificación de las disoluciones
Para indicar la capacidad que tiene un sol uto de disolverse en una diso•
lución, se utiliza la magmtud solubilidad, la cual se define como la can•
tidad m~x,ma de soluto (expresada en gramos) que puede disolverse
en 100 g de disolvente. a una temperatura determinada. Así. de acuerdo a esta definición. se encuentran las disoluciones:
• saturadas, que contienen la m~xima cantidad de soluto que se
puede disolver, es deor. lo que corresponde a su solubilidad.
■ insaturadas, que contienen menor cantidad de soluto que la nece-
sana.
■ sobresaturadas, que contienen una mayar canlidad de soluto que el
que se puede disolver.
Tipos de disoluciones
Ejemplos de disoluciones
soluto-disolvente:
- líquido-liquido: vinagre.
- llquido-sólído: amalgama.
- líquido-gas: niebla.
- sólido-liquido: mar.
- sólido-sólido: bronce.
- sólido-gas: smog.
• gas-líquido: bebida.
- gas-sólido: hielo.
• gas-gas: aire.
Disolvente
Soluto
Liquido
Sólido
Gas
m
Gas
Factores que afectan la solubilidad
N, uraleza del soluto y del d isolvente
1xperimentalmente se ha comprobado que las sustancias que presenI,m enlaces intermoleculares y estructuras similares son mfks solubles.
M , los soluIos polares son más solubles en disotverites polares y los
nlutos apolares son más solubles en disolventes apolares.
M1~n1ras mayor sea la a1racción entre el sotuto y las moléculas del
disolvente, mayor será la solubilidad.
11 ><to de la temperatura
Para los solutos sólidos o líquidos disueltos en agua, la solubilidad. en
general. aumenta al aumentar la temperatura. Con el aumento de la
temperatura. aumenta el movimiento de las particulas. quedando un
mayor número de ellas libres para formar parte de la disolución.
Para los gases disueltos en agua. la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura. Esto se debe a que a medida que se calienta el
c19ua, se liberan burbu1as (moléculas gaseosas) escapando de la
disolución.
..__._~__.__.._.
lO
40
114>
RO
100
~ a tn(-CI
6rafico de solubilidad versus
1emperatura para dist1ntas
sustancias sólidas.
f ecto d·e la presión sobre los gases
l .1 solubilidad de un gas en agua aumenta al aumentar la presión apli<dda sobre la disolución, debido a que la presrón favorece la difusión
de las moléculas de gas en el líquido.
ta presión no afecta la sotubihdad de sólidos y líquidos.
Solubilidad
(g soluto/100 g H¡O)
Soluto
a. ¿Cómo se puede preparar una disolución insaturada de
KCI a 80 ºC?
Como la solubitidad del KCI es SO g11009 de agua a 80 •c. se
debe ag,egar cualquier cantidad menor a 50 9.
20°C 40°C 80 °C 100 •e
KCI
33
39
KN03
33
65
50
168
56
244
~
b. ¿Qué sucede con la solubilidad del KN03, si disminuye la temperatura de 40 a 20 'C?
La solubi'idad del KNO¡ disminuye. ya que gene,almente en los sólidos la solubiidad es p1oporciona a la
temperatura.
m
Disoluciones diluidas y concentradas \
r
La concentración de una disolución indica la cantidad de soluto disuel•
to en una determinada cantidad de disolvente, asl hay disoluciones:
■ diluidas: contienen muy poca cantidad de soluto respecto al disol•
vente.
■ concentradas: contienen una cantidad muy elevada de soluto res•
pecto al disolvente.
Concentración. Disoluci,ones
de dicromato de potasio
en agua, a distintas
coocen11aoones.
Unidades de concentración
Porcentaje en masa (m/m)
. . • • . . :-t-- ..._
Expresa la masa de soluto. en gramos (g). que hay disuelta en 100 g
u,~•
'
i1,,,;t,,n (
4le disolución. Se expresa como:
-J..~~
"
~ ' c. .:t..J,..( J..o.
~
l<.
.J. 1\.-.,.l;x.,,
%m/m =
masa (g) de _soluto x
100
masa (g) de d1soluc1ón
~lh-,.~
l~"i-"'~)
,\ ~ O
_
~ .¡,ir 'yvlQ./\-0'- .... ~ ,r
Porcentaje en volumen (v/v)
•--"""'
Expresa el volumen de soluto;"e~ mililitros (mL{ que hay disueltos en
, 10t 100 ml de disolución. Se expresa como:
vw~
~
volumen (ml) de soluto
fh....€.....,A....,t_,,
% v/v = vo1umen (~ml.) d e d1
.so1uo.ón x 100
Porcentaje de masa en volumen (m/v)
Expresa la masa de soluto. en gramos (g). que hay disuelta en 100 ml
de disolución. Se expresa como:
masa (g) de soluto
%m/V = voumen
1
(mL) de d'sol
, uc,.ón x l OO
Ejercicio resuelto
1. ¿Cuál es el porcentaje en masa de una disolución preparada con 25 g de KCI en 200 g de agua?
25 ,j
2S g +
200 g
= 225 g
%m/m =225
;t' 100
Este •1alor significa que hay 11, 1 g de soluto en 100 g de disolución.
11
%mlm = 11,1%
Molaridad (M) (, """"'-'--r,,._..,._;:., .._,-f.._:')
1xpresa la cantidad de soluto, en moles (mol), que hay disueltos en
1 L de disolución. Se expresa como:
M
moles de soluto
1 l de disolución
Molalidad 6rrJ ( l ••, , . . . , ~ .. ~
rxpresa la cantidad de soluto, en moles (mol), que hay disueltos en
1 kg de disolvente. Se expresa como:
1
moles de soluto
mlr 1 kg de disolvente
Dilución de disoluciones
Para preparar disoluciones menos concentradas a partir de una de
mayor concentración. se utiliza el procedimiento de dilución. Este se
expresa según:
donde:
M y M¡ son las concentraciones iniciales y finales.
v1y v, son los volúmenes iniciales y finales.
Hípoclorito de sodio.
Comúnmente se le llama
cloio al desinfectante y
blanqueador utiiZado en las
casas. Sin embatgo, este
compuesto es hipodorito de
sodio disuelto en agua.
Ejercicios resueltos
1. calcular la concentración molar de una
disolución que contiene 34,5 g de NaCIO en
700 ml de disolucíón. .M= 74,5 glmol
masa de soluto: 34.5 g
volumen de disolución: 700 ml = O,7 l
n _ m _ 34,5,8'
.M 74,5).j1mol
0.46 mol
M = OH
2. ¿Qué volumen de una disolución
concentrada de H2S0• 8,61 M se necesita
para preparar S • 102 ml de una disolución
1,45 M?
disolución concentrada
M¡ = 8,61 M
V,= X
disolución diluida
M¡= 1,45 M
Vt = S• t02 mL
n = 0,46 mol
1.45,.M' , 500 mL
M = 0,66 mol/l o M
Vt=
8.6 1}.-í'
V¡= 84,20 ml
11
11:l Pro iedades coli ativas
o;so1udir'
acuosa
Cuando se agrega un soluto a un disolvente puro. modifican las propredades del disolvente; a estas propiedades se les llama propiedades
coligativas. Estas propiedades solo dependen de la concentración de
soluto en la disolución y no de la naturaleza de este. Al estudiar las
propiedades coligativas. se estudian disoluciones diluidas. cuyas concentracrones no superan los 0,2 M .
Propiedades coligativas son:
Manórne110
Comparación de presiones
de vapor ta presión sobre
los liquido,. se debe al vapor
de agua. En la d1so ución. la
preSlón es menor ya que
existen menos moléculas de
agua en la superf,cie.
Disminución de la presión de vapor
Cuando se agrega un soluto no volátil a un disolvente puro, la f)(esión
de vapor obtenida en la disolución es menor que la del disolvente
puro. Este descenso en la presión de vapor es proporcional al número
de moles de soluto disueltos en una masa definida de disolvenle.
En el caso de que ambos componentes de la d1soluc,ón. es decir, el
soluto y el disolvente. sean vol~tiles, la presión de vapor de la disolución estará dada por la suma de las presiones parciales rndiv1duales.
Elevación del punto de ebullición
El punlo de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor
de un liquido se iguala a la presión externa
Por e¡emplo. el agua tiene su punto de ebulhc,ón a los 100 ºC. si se
disuelve en ella un soluto no volátil la presión de vapor d1sminu~á. por
lo que se deberá calentar la d1soluct6n a una mayor temperatura para
poder iguala/la a la presión externa y asr alcanzar el punto de ebul ición.
Diagrama de fases para
el ascenso del punto de
ebullición del agua. l as
lineas punteadas representan
la disolución, y las continua~
el drsol\'ente puro. En este
caso se puede ver que el
punto de ebult.:ión de la
disolución es ma)'or que el
del disolvente puo. el agua.
11
1 atm
\
/
t-----',--+--------+--,,·/
ido
,•·
\
Sólido
'•,\
.,••··
Vapor
le'Tlpcratuia
Punto
Punto
de
e4xr Uoón
de
ebullició,.,
dtl
agua
(li).o uc:iefl
dela
Disminución del punto de congelación
El punto de congelación es la temperatura a la cual coexisten en equilibrio la fase sólida y líquida de una sustancia.
<:uando una sustancia pasa al estado sólido. tiene que ()(denar sus
moléculas, y para ello necesita liberar energia. Como en una d,soluoón
Px,ste mayor desorden que en un disolvente puro p()( la presencia de
\0luto, necesitará mayor energía para ordenar sus moléculas y pasar al
es1ado sólido, por tanto, la temperatura de la disolución debe disminuir por deba¡o del punto de congelación del disolvente puro para
poder congelarla.
...,__.~- -·
•
/
Punto
Ttmoefc1tura
de
congelación
ae
la
disol-,.,cióo
/
agua
Diagrama de fases para la
disminución del punto de
congelación del agua. las lineas
pun1ead~ representan la disolución,
y las conlinuas, el disolvente puro. En
este caso se puede observar que el
punto de congelación de la disolución
es menor que el del disolvente puro.
el agua.
Presión osmótica
La osmosis es el proceso por el cual moléculas del disolvente pasan a
través de una membrana de pe,meab1lidad selecliva desde el disolvente puro, o una disolución diluida hacia una disolución concentrada. La
presión osmótica es la presión necesaria para detener la osmosis.
Por ejemplo, cuando entran en contacto dos disoluciones de diferente
concentración por medio de una membrana de permeabilidad selectiva (ver figura). el disolvente traspasará la membrana desde la disoluc16r1 más d iluida hacia la más concentrada, hasta que las presiones
ejerc,das por las disoluciones sobre la membrana se igualen.
Ue1)bran.a semipe,me:oble
• t..
..... .
Descenso del punto de
congelación. A la nieve que
se acumula en las calles de
zonas muy frías se les
•~regan sales (sotuto), como
NaCt o CaCl1. p.ra que el
punto de congefac16n
dism nuya y escurra el agua.
Osmosis en las células.
Una célula cuyo medio
externo es isotónico.
f,gual concentración al medio
interno), no cambia. ya que
entra y sale una molécula de
agua. Una célula cuyo medio
externo es hipotónico
(menor concentración que el
medio interno). ingresa agua
a la célula, por lo que se
hincha. Si el medio externo
es hipertónico
(mayor concentración que el
medio ime,no), sale agua de
la célula, por lo que se
encoge.
m
Nuestro planeta está cubierto por una capa de aire llamada atmósfera.
El aire que compone la atmósfera es una mezcla de gases distribuidos
en distintas proporciones y su composición variará según la altitud y la
latitud. La altitud es la altura a la cual se encuentra un lugar respecto
del nivel del mar y la latitud es la distancia a la que se encuenira un
lugar respeclo de la línea del ecuador.
Composición química del aire
La tabla de la derecha muewa la composi-
ción química del aire seco a nivel del mar.
También se encuentra en menor proporción
el vapor de agua (H20), ozono (03), monóxidc de cart,ono (CO) y amoniaco (NH¡).
Presión atmosfé rica
Composición del aire
seco a nivel del mar
composición
Gas
(o/o de volum~
N¡
78,03
20,99
O¡
Ar
0,9'1
~
0,033
Ne
0,0015
,He
0,000524
Kr
0,00014
CO¡
-
La presión atmosférica es la fuerza que
ejerce la masa de aire sobre la superficie
terrestre. la presión varia dependiendo de
la altitud y la temperatura. A mayor altura
Xe
O,OOOOOi>
--,.do=~,,_ desciende la cantidad de gases en el
aire; por lo tanto, menor es la presión. Si hace calor, .el aire se
· ..• ,,•••,,,., ..., ,~ .
dilata y ocupa un ma¡,:>r espacie. S1 la temperatura disminuye,
1
..,. ~ 1,1,!",..º "' ' " • • · ,:.·,
el aire se contrae y el espacio es ocupado por una mayor
~
cantidad de gas. Por le tanto, a mayor temperatura la pre-
~J.'!l~ ;~~.·
-
~'l
aJ
sión es menor.
Para medir la presión a1mosférica se utiliza el barómetro. La
presión de otros gases se mide con un manómetro,
En 1643, Evangelista Torricelli tomó un tubo de •;idrio
de un metro de longitud, cenado en uno de sus
extremos y lo llenó con mercur'o. lntrodu¡o el tubo poi
su extremo abierto dentro de una cubeta que también
contenía mercurio. Obser;ó que el mercurio solo
bajaba hasta 760 milímetros por encima de la cubeta.
Así demostró que la p1esión del aire, a nivel del mar,
es de 760 milímetros de IMICUIÍO.
m
Presión
atmosférica
Mercurio
(Hg)
Estructura de la atmósf era
f n la atmósfera se pueden distinguir vatias capas. A continuación se
indica la ubicación (U). la temperatura (T) y algunas características (C)
de cada una de ellas.
CAPAS QUE CONFORMAN LA ATMÓSFERA
Aliitud
(km)
500
80
so
18
•
-90 -55 O
l. 500
2. 500
T ('C)
El<osfera
U: de 500 a 1.000 km de
altitud.
T: cnt,e 2.500 'C de dia y
270 'C de noche.
C: se 1ellejan las ondas de
radio, aparecen auro,as.
Termosfera
U: de 80 a 500 km de altitud.
T: según la acIividad sola,.
> 1.500 ' C. Densidad baja.
C: se ubica la ionosfera que
abso,bc ,adiaóones sol,ucs
de menor long tud de onda,
transformando moléculas
gaseosas en iones.
Mesosfera
U: de SO a 80 km de altitud.
T: -90 'C, es la zona más fria.
C: existen cúmulos de hielo y
polvo. Se obsc,va la
incandescencia de meteontos.
Estratosfera
U: 17 km en los polos y
SO km en el ecuado,.
T· enue -55 •e y -40 ºC. Po,
la absorción de radiación esta
aumenta en el limite supe1io1
alcanzando los O'C.
C: apa,ece la capa de ozono.
Troposfera
U: desde la supeóicie de la
tieira hasta u~os 14 km de
allitud.
T: al ascender disminuye
6 ºC/km, llegando a -SS "C.
C: el 80% de los gases y el
vapo, de agua se acumulan
flOI la g,ave<lad. Fenómenos
meteo1ológicos.
m
Estalactitas y cstalaanitas.
Cuando et .tguil se l~ua por ·as
cue\'as )' <8"e-rnas.. d~uelv<! cl
COi del <1·re que se encuerua en
el ·nle1iorp-OOucie...So una
ciwlución ácida, la cual disU<!\••
!.,}$, piedra:$ bmando es1as
rna1a\•i 1~ lonnas naturales.
Propiedades físicas del aire
,----
Las propiedades flsicas del aire es1An determinadas por las propiedades
caracterislicas del estado gaseoso. asr el aire:
■ ocupa un espacoo. es materia.
■ no posee volumen definido, llena los espacios unrformemente.
• se expande y se contrae. Al calentarse ocupa un mayor volumen
debido al movimiento de sus partículas, por lo que se expande y
asciende. Si se enfrla. disminuye su volumen, se contrae y desciende.
■ posee ba¡a densidad. A mayor altitud. menor densidad.
■ ejerce presión sobre la superficie terrestre: presión atmosférica.
Propiedades químicas de los gases del aire
Dióxido de carbono (C01)
■ Gas incol0<0 e inodoro a temperatura ambiente, poco reactivo y
ligeramente tóxico.
■ Participa en prOCe<lOs vrtales de plantas y animales, como la íotosin•
teSis y la re5piración celular.
■ Se disuelve y reacciona con el agua produciendo pequeñas cantidades de jcodo carbórnco (H 2C03). variando el pH de las disoluciones.
■ Se utiliza en la elaboración de bebidas efervescentes y en la fabncación de bicarbonato de sodio (NaHCOJ).
fo:osinte-srs
Combustibles
~rles
Oió,,do de ca,bor.o
atmosféuco
Respóación
v,gctal
1acion
tal
nimal
11
~·001mat
Oxígeno (02)
■ Gas, incoloro, inodoro e insípido.
■ Es inactivo a temperatura ambiente.
A temperaturas elevadas se combina
con sustancias formando óxidos.
■ Es producido a trav~ de la fotosínte•
sis. De este modo se logra renovar el
O.:<Ígeno del aire.
■ Imprescindible para los seres vivos, ya
que obtienen su energla de la respiración celular. combinando sustancias
qufmocas con oxígeno.
■ Es considerado un gas comburen te.
ya que partrcipa en la activac,ón de la
combustión.
Nitrógeno a1mósfe,ko
u, fi¡ac,oo biológica es muy
importante para las plantas y los
animales. ya que necesitan el
nilrógeno porque este lo,ma parte
de las proteinas y á~dos. ,,odeicos~
sin emoorgo, ellos no lo pueden
fijoóón obteoer directamente del aire. Asi. la
bíol6(Jica occión de miC(()C>f'ganismos que se
encueniran eo las ralees de algunas
plantas como las leguminosas,
uansforman el nitrógeno atmosf~nco
en nitratos que pueden ser utilizados
en la síntesis de proteínas.
Nitrógeno (N¡)
■ Gas más abundante en la atmósfera. Incoloro, inodoro e inslpido;
no inflamable e inerte.
■ Su gran estabihdad d1f1culta que forme nuevos compuestos, pero a
temperaturas muy elevadas reacciona con metales como el litio (li)
y el magnesio (Mg).
Er el ciclo natural del nitrógeno se produce la fijación industrial,
atmosférica y biolog,ca.
Hidrógeno (H 2)
■ Gas, inodoro, incoloro e insípido, y relativamente inerte a tempeta•
tura ambiente.
Es considerado como combustible, ya que con una pequeña ignición, en presencia de oxigeno reacciona violentamente liberando
gran cantidad de energía en forma de luz y calor, dando como pro•
dueto vapor de agua.
■ Constituye un porcentaje muy peque~o (0,001 %) en las capas inferoores de la atmósfera. Sin embargo, corresponde a la m,tad de la
masa del sol.
Ozono (0 3)
■ Gas incoloro de olor penetran1e.
■ Se origina en forma natural en la estratosfera por la acción de la luz
solar sobre las moléculas efe oxígeno, según la siguiente ecuación:
■ Debido a su gran poder oxidante, el ozono se utiliza para decolorar
acei tes y ceras. l' para esterilizar el agua potable.
11
Un agente contaminante es una sustancia química que al incorporarse
al aire cambia su composición provocando efectos desfavorables para
la salud humana y el medio amb~nte. Estos con1am1nantes pueden
provenir de fuentes emisoras naturales y artificiales o antropogénicas
(acción humana).
Fuentes natura es y
aotropogenas de, prod..icción
de cootamanantes primarios
y su ua,;storinaooo en
■ Contaminación natural: producida por fenómenos naturales como
contam nantes secundarios
plantas termoeléctncas. los vehículos motorizados y los hogares.
las erupciones volcánicas, los ,,ientos y los incendios forestales.
■ Contaminación artificial: producida por fuentes como las industrias.
Agentes contaminantes primarios y
secundarios
Según cómo se originan en la atmóslera. se
pueden clasificar en:
■ contaminantes primarios: los que se emiten
directamente a la atmósfera como resultado
de combustiones y otras reawones químicas. Por ejemplo: co,. NO,, SO,, hidrocarburos (HC) y material paniculado.
■ contaminantes secundarios: se generan a
partir de radicales altamente reactivos, producidos en la gran cantidad de reacoones
químicas que se llevan a cabo en la atmósfera. Estas reacciones se producen por la
energía emregacla por la radiación solar.
Algunos de estos son: 0 3, N02. M¡S04 y
HN03.
Agentes contaminantes y sus efectos
Agentes contaminantes
D,óxido de carbono (CO2)
Efectos
Aumento del efeao im•emadero.
Monóxido de calbono (CO) Disminuye el transporte de oxigeno en la sangre. En altas concemraciooes es mor!al.
---- - l1ri1a111es de las ,oas respira101ias. Causan la Uu\'la ácida.
óx dos de azufre (SO,:)
óxidos de nitrógeno (NOJ l11ilantes de las vías respiratorias y mucosas. Causan la lluvia áóda
L
Hidroca,bu1os (HC)
Reaccionan en el aire con olros gases, lo,mando compuestos cance1í9enos.
Ma1erial panicukld<>
Causan enfeimedades pulmonares.
'-
11
Problemas ambientales
Efecto invernadero
1n el efecto invernadero la energía entregada
por el sol es absorbida por la tierra en forma
de calor. Solo una parte de esta energía es irradiada por la tierra y escapa hacia el espacio. La
mayor parte del calor es absorbido por la capa
que forman los altos niveles de gases atmosféncos, como los de dióxido de carbono (C02).
metano (CH4). óxido nitroso (N02) y los clorofluorocarbonos (CFCs). que actúan como un
panel de vidrio de un invernadero. La energía
es reirradiada hacia la tierra. lo que provoca un
aumento en la temperatura media de la
almósfera. El gran aumento en los niveles de
estos gases se debe al consumo excesivo de
combustibles fósiles y a la delorestación .
Adelgazamiento de la capa de ozono
Muchos análisis científicos han coincidido en que la degradación de la
capa de ozono se debe a la acumulación de cloro en la estratosfera, debido a la descomposioón de los clorofluorocarbonos conocidos comercialmente como freones (CF,C~). Estos son químicamente inertes y muy estables en la ttoposfera. sin embargo, cuando alcanzan la estratosfera. se
descompooen en partic:ulas de cloro activo por acción de la luz solar.
Cada una de las partículas de cloro es capaz de destruir más de
100.000 moléculas de ozono antes de ser eliminadas.
Reacciones de
descomposición del
02:ono
uv
CF¡CI¡-, CF¡CI• + CI•
CI- + 0 3 -, CIO• + O¡
•CIO + O• -, CI• + O¡
Lluvia ácida
La acidez de las lluvias se debe principalmente a las emisiones de gases
como el S03 y N02 provenientes de las actividades industriales del tráfico de vehículos. Estos se acumulan en grandes canlidades y al combinarse con la humedad se transforman en ácidos como el H2S04 y HN03•
La lluvia ácida es perjudicial para la vegetación ya que causa la disminu-
ción de la reseNa mineral de los suelos y produce un ennquecimiento en
el nrtrógeno atmoslérico que afecta a los bosques. Se cree que causa la
acidificación de lagos y ríos afectando la vida acuJlica y ha produodo
millones en pérdidas por la corrosión que causa en fas construcciones.
Formación del
ácido sulfúrico
2 SO¡ (9) • O¡¡g1 - >2 SO, (¡l
S03 1g¡ • H;0 ➔ H¡S04 :,:¡¡
Ley de Boyle, según la
teoría cinética molecular.
Se sabe que la presión de un
gas se produce por los
choques de las moléculas co11
la superlicie del ,ecip'ente
que lo contiene. Si en un
sistema cerrado la
temperatura se mantiene
constante. la ene,gia cinétka
(de mo'limiento) de las
moléculas no se modificará;
sin embargo, al reducirse el
volumen. la cantidad de
choques por unidad de
~perficie aumema.
aumentando así la presión.
Las leyes de los gases estudian el comportamiento de una determina•
da masa de gas. si una de las magnitudes en estudio (volumen, presión
o temperatura) permanece constante.
Ley de Boyle
En 1660. Robert Boyfe (1627- 1691) estableció que: el volumen de una
determinada masa de gas, a temperatura constante, es inversamente
proporcional a la presión que soporta.
Siendo la relación entre las
variables:
P, V = K (constante)
v
v,
Y la expresión matemática de
la ley:
p
Ejercicio resuelto
1. En un trabajo experimental, se libera a nivel del mar un globo meteorológico con 1.000 L de
helio, existiendo ur,a temperatura de O•c. Cuando este alcanza unos 16 km de altura, el volumen
del globo ha aumentado a 10.000 L. ¿Cuál será la presión del helio a esta altura, suponiendo que
la temperatura permanece constante?
Cond~iones iniciales: P1 = 1,0 atm. 1/1~ 1.000 L
Condiciones finales: P1= X atrn. V¡ = 10.000 L
Según la expresión matem~tica de Boy!e:
P¡ ;,e \/1
V¡
:
Pr X
1,0 atrn , 1.000/ = X , 10.000/
P1 = O, 1 atm
Se comprueba que el ,•olur,en es in.,.,,samente proporcional a la presioo, si se manl ene constante la
temperatura.
mi
Ley de Charles
En 1787. Jacques Charles (1 746- 1823) estable<:ió que: el volumen de
una determinada masa de gas, a presión constante, es directamente
proporcional a su temperatura absoluta.
El cero absoluto o O Kelvin corresponde a - 273. 15
peratura teórica mas baja posible.
Siel\dO la relación entre las
Vdrtables.
K (constan1e)
r=
•e:esta es la 1em-
n=
Y la expresión matemática
de la ley:
f'v.v.1
,,
' i,=r; 1
Ley de Charles, según la
teoría cinética molecular.
En este caso, la presión
permanece constante. Por lo
que, si se aumema la
temperatura del sistema.
aumenta la ene19ía cir\etica
de las partlculas y con eno.
aumenta también la
superficie de choques de la
pariículas, es decir. debe
aumentar el 'lolumen en el
recipiente.
Ejercicio resuelto
1. Si en un dla de invierno se infla un globo hasta un volumen ,de 2.50 L, dentro de una casa que se
encuentra temperada a 25 ºC. y luego se lo lleva al exterior donde la temperatura es de - 5
¿cuál sera el nuevo volumen del globo, fuera de la cas.i. suponiendo que la presión es
constante?
•c.
Condic'ones iniciales: T¡ =25 'C =298, 15 K. V;= 2,50 L
Condiciones finales: T1 = -5 ºC ª 268. 15 K, v1 -= XL
Según la expresión matemát:ca de Charles:
V X Tt
V¡ ---T-
V¡ -
2.SOL, 268.15¡(
298.1 5,íi'
V1 = 2,25 L
Se puede co~1obar que el l'Olumen es diree1ame~1e proporcional a la temperatura de un gas a presión
cons1ante.
1
11
Ley de Charles y
Gay-Lussac, según la
teorla cinética molecular.
Cuando se produce un
aumen10 de la temperatura
en un s&ema ce,rado, la
energía cinélica rle las
panrcu as aumeota. Y si en
es1e sis1ema el volumen no
va,ia, se produce un aumen10
del núme•o de choques de las
moléculas por urlidad de
superficie, es dedr, aumenta
la presión.
Ley de Charles y Gay-Lussac
Aproximadamenle en 1800, Jacques Charles ¡unto a Joseph GayLussac ( t 778-1850) establecieron que: la presión de una determinada
masa de gas, a volumen constante, es directamente proporcíonal a su
temperatura absoluta.
Siendo la relac,ón entre las variables: ~ = K (constante)
Y la expresión matemática
p
de la ley:
P,
P,
Ejercici o res ue Ito
"""'""""""'"""""""""===
,
t . Si se encierra un gas a una presión de 2,5 atm, en un recipiente rlgido, a una temperatura de
20 ºC, ¿qué presión tendrá si se enfría a una temperatura de - 20"C?
Condkionesrniciales: P; =2,5 atm, T1 =20"C = 293, 15 K
Condioones lina'es: P, = X a,m, T1 = - 20 'C = 253. IS K
Según la expresión matemática de Charl11S y Ga,•Lussac:
Pr -
2,5 a!Ol X 253. (5
293,1 5 f
r
P1 = 2,16 atm
Se puede comprob.lf que la presión es cirectamente proporcional a la 1empe1aiura. si el •1olumen de un gas
permarece constante.
Ley de los gases ideales
J... ~"__,t._ g~'
La ley de los gases ideales se obtiene al combmar las leyes de los gases
ya conocidas. Esta explica la relación entre cuatro magnitudes: tempeI.itura (i), presión (P). volumen (V) y cantidad de gas expresado en
moles (n).
J... L.. 40-, J.,.. .l'.,,,
.,,. .
~
--
V; •P;
'
T.1.
Un gas ideal es un gas h1po1ético, por lo que su componamiento
puede explicarse completamente de acuerdo a la ecuación del gas
Ideal, según:
1
-
P~1
T
J..,.,.J.... J.... o--.,v~ 't.,
M,J,,...;;.._.. :'l,.U
.t.~
Donde R es la constante de p<oporcionahdad y tiene el rnrsmo valor
para todos los gases. El valor de esta cons1ante se calcula de acuerdo
a' volumen molar, que es 22.4 L. y a las llamadas condiciones norma,
les de un gas; eslas son: OºC (273, 15 K) y I atm.
/~ ·
L... (r"''~.k.
f..,,,...,.,.,)._,,_
Volumen molar. Volumen
p ,v
R= n>T
que ocupa un gas en
cond ciooes no·males de
presión {I atm) y temperatura
(273.1S K). Conesponde a
22,4 l.
1 atm, 22,4 l
atm L
R = 1 mol • 273, 15 K = O,OS2 moii<
Ejercicio resuelto
1. Calcular la presión que ejercen 142 g de doro (CI¡) (fa{ = 71 g/mol) en una botella de 500 mL a
una temperatura de 28 ºC.
1° De acuerdo con los datos. primero se calcula n y se hacen las transformaciones necesarias.
Datos:
P=X
rn = 142 g
_ 1_42.,,:;j(;..,
0• =71,eflmol
n= 2mol
.M= 71 glmol
1/ = 500ml = O.Sl
T =28ºC =30 1, ISK
2• Se resuelve el problema despejando la presión de la expresión:
P x\l = n x R, T
n:- RxT
2 n¡&I • 0.082 atm
¡(, 301, 1sf
p= V
P=
o.s)?
J/~
P = 98,7 atm
11
Ejercicios
1. ¿Qué diferencia existe entre un sólido
cristalino y uno amorfo?
13. ¿Por qué un mineral puede ser represtntado
por fórmulas químicas?
2. Indicar una característica de los cristales
iónicos, covalentes, moleculares y metálicos.
14. ¿Por qué el agua es un compuesto y no una
mezcla?
3. Nombrar los horizontes del suelo y explicar
sus características.
15. Indicar qué propiedad coligativa
representa cada ejemplo.
4. ¿En qué tipo de suelo es recomendable
cultivar?, ¿por qué?
5. De acuerdo a la molécula de agua, indicar:
a. los elementos que la componen.
b. la fórmula qu:mica.
c. qué indica la fórmula química.
6. Explicar la propiedad física de:
a. tensión superficial.
b. pun10 de ebullición.
7. ¿Por qué se dice que el agua se comporta
excepcionalmente?
8. ¿Qué demostró Evangelista Torricelli con su
experimento 7
9. Indicar tres propiedades físicas del aire.
10. ¿Qué diferencias existen entre los
contaminantes primarios y secundarios?
11. ¿Cómo se produce la lluvia ácida?
12. Indicar para cada una de las leyes de los
gases las magnitudes que se relacionan y
cuál permanece constante.
11
\
a. Agregar sal y aceite al agua para luego
cocer tallarines.
b. Agregar sal a la lechuga; luego de un
tiempo se pone mustia.
c. Al dejar un liquido volátil como la
acetona des1apado, esta se evap0ta.
16. Calcular.
a. El porcentaje en masa de una disolución
compuesta por 20 g de alcohol en 35 g
de agua.
b. El porcentaje en masa de una disolución
compuesta por 4,9 g de tolueno en 54 g
de benceno.
c. El porcentaje de masa en volumen de la
disolución de ácido sulfúrico que tiene
una concentrac,ón de 8,6% en masa,
con un..1 densidad de 1,8"1 gtcm3 •
d. El porcentaje en volumen de una
disolución que contiene 200 ml de
etanol. y agua hasta completar 500 mL
de disolución.
e. La masa de solvente que se debe agregar
a 2 5 g de cl0<uro de po1asio (KCIJ J)ilra
preparar una disolución al 12%m/m.
f. Ul masa de soluto necesaria para
preparar 800 ml de d1soluc16n de
glucos.1 al 0.25%m!v
17. Responder.
a. ¿Qué masa de solu10 (H2S04) está
con1en1da en 0,05 L de disolución
0,5 M? Oato:),( H, SO, = 98 g/mol
b. ¿Cuál es la molaridad de una dlSOlución
de sacarosa cuyo porcen1aje de masa en
volumen es 25%?
Da10: ),(e ·1HV O u = 342 htmol.
~ •
c. ¿A qué temperatura en "C se deberJ
calentar 20 L de un gas que se encuentra
a 1 S •e para alcanzar un volumen de
1oo L? Se trabaja a P cons1an1e.
d. En una olla se colocó malz para
palomitas a 20 ºC y a I atm. Luego. se
calentó hasla alc.anzar los 220
antes
de reventar. ¿Cuál es la presión de los
gra110s a esa temperatura?
e. i.Jn recipienle de vidrio de 3 L soporta
una presión máxima de 2,1 atm. Si se
introduce en él 2,4 L de helio a una
presión de 2,5 a1m. a temperatura
conslante, ¿explotará el recipiente?
f. Se tienen 30 L de 0 2 gaseoso a 3 atm y a
20 •c. ¿Qué volumen ocupará este gas a
1 a1m y SOºC?
•e,
Solucionario
1. Sólido cristalino: panírulas Internas ordenadas iridimensionalmeme. Sólido amorfo: no tiene fo1ma definida.
2. Unidos por: lónkos. fuerzas ele<trostáticas; covalen1es. enlaces covalentes; moleculares: íuerws intetmoleculares;
metálicos: enlaces metálicos.
3. Horizonte A. org/lnlco; horizonte 8, origen mineral y restos orgánicos; horizonte C, rocas desintegradas de la roca
madre; horizonte R. roca madre.
4. En suelo orgánico porque llenen gran cantidad de materi.l orgánica, retienen la humedad, son fértiles.
S. a. Hidrógeno y oxigeno. b. M¡O. c. Hay dos átomos cie hidrógeno unido a uno de oxigeno.
6. a. Es la fuerza elástica que existe en la superficie de un liquido. b. Es la 1empera1ura a la cual la presión de "1por
de un liquido se iguala a la presión atmosférica externa.
7. Po1que es el único líquido que al pasar a eS1ado sólido se contrae.
8. Demostró que la presión atmosférica a nivel del mar es de 760 mm de mercurio. a lo que llamó I atmósfera.
9. Se expande y contrae; posee baja densidad, la que disminuye al aumentar la altura: no posee volumen íi¡o.
1O. Los con1am:nantes primarios se libeian directamente a la atmósfera, principalmen1e poi las reacciones de
combustión; en cambio, los secundarios se generan a pa~r de los conlal'Ñnantes p1imarios.
11. Se produce por las grandes cantidades de emi~ones urbanas que se liberan a la atmósfera y que en comaao
con la humedad del aire se 1ra111forman en distintos ácidos.
12. ley de 8oyle: presión con volumen. a temperatura constante. ley de Charles: volumen con temperalura, a
p1esión cons1an1e. ley de Charles y Gay-lussac: presión con 1emperat\lra, a volumen con\1an1e.
13. Porque posee una composición química definida. 01orgándole propiedades y características determinadas.
14. Po1que está formado po, elementos. tiene composición química defin'da y no puede descompone.se por
métodos físicos.
1S. a. Elevación del punto de ebul íción. b. Presión osmótica. c. Presión de vapor.
16. a. 36,36%. b. 8,32%. c. 15,57%. d. 40%. e. 183,33 g de H20. f. 2 g de glucosa.
17. a. 2.<15 g de scluto. b. 0,73 M. c. 1.167 'C. d. 1,68 atm. e. No explot.rá porque existe una pre5i6n
de 1,9 a1m. f. 99,2 t l.
11
Termodinámica
r:, esde el origen del univer.;o, la materia y la energía han estado
a.:..en
constante transformación, siendo los artífices de nuestra
galaxia y, por ende, de nuestro mundo.
En los comienzos, el ser humano solo disponla de una cantidad mlnima de energía proporcionada por su cuerpo y obtenida de su alimentación, la cual dependla en gran medicla de los animales que cazaba,
Con el correr del tiempo, domest,có a los animales y descubrió el
fuego con el cual pudo cocinar, transformar la materra y calentarse.
En el siglo XIX, con el advenimiento de la Revolución Industrial, contó
con una mayor cantidad de energía, la cual pudo utilizar para traba¡ar
y fabricar a gran escala.
Hoy en dl.l, con los avances ciemlficos y te<nológicos, el ser humano
puede tener a su disposición una cantidad muy superior de energía,
con lo cual ha conseguido aumentar la producción y los recursos, obte•
niendo bienes que han cambiado su calidad de vida.
11
"'
o
·e
..
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i:
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e:
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en
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111
1
En una reacción qulmi<:a no solo existe una translormaci6t1 de las sus•
tandas, sino que también se libera o absorbe energía. La parle de la
qulmica que se encarga de estudiar tos cambios de energía (general•
mente calor) involucrados en las reacciones químicas se llama termoquímica. Esta forma parte de la termodinámica que se encarga de estu•
diar las relaciones que se producen entre el calor y otras formas de
energía.
lirnile del sistema
Sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico es una par1e de
materia que se aísla, mediante límites reales o
fictioos. para su estudio. Todo lo que rodea al
sis1ema, pudiendo o no relacionarse con él, se
llama entorno. El conjunto del sistema con el
entorno forma el universo.
Los sistemas termod,námicos pueden realizar
intercambios de materia y energía con el
entorno. Estos se clasifican en:
■ Sistemas abiertos.
Intercambian matena y
energla. generalmente en
forma de calor, con su
entomo. Por e¡empto, una
taza con agua caliente.
■ Sistemas cerrados.
Intercambian energía pero
no materia con el entorno.
Por e¡emplo, un termómetro.
■ Sistemas aislados. No
inte,camb,an materia n,
energía con el entorno. Este
es un sistema ideal que
realmente no existe.
Energla y
•1
f
Sistema
Sistema
Variables termodinámicas y fu nciones de estado
Variables termodinámicas
l',Jra describir el estado de uri sistema terrnodin~rrnco se emplea una
1rr,e de magnitudes macroscópicas observables y medibles llamadas
variables de estado, como: presión, volumen, temperatura, masa o
numero de moles.
l ,u variables de eslado permiten que cualquier c1entifico reconstruya
la\ condiciones exactas de un sistema. Estas vanables se clasifican en:
Variables extensivas
Variables intensivas
■ Dependen de la cantidad de
■ Son inclependientes de la
materta, y su valor no se puede
definir en cualquier punI0 del
sistema. Por e¡emplo: masa,
volumen y calor.
Tipos de procesos
Isotérmico: f)loceso
que se lleva a cabo a
Iempe,atura coos1anIe.
Isobárico: proceso que se
lfe,,a a cabo a p,es'ón
constante.
Adiabático: p,oceso en el
cual no hay transferencia de
calor pero sí intercambio de
trabajo entre el sistema y el
entorno.
cantidad de materia y su valor
se puede deIerm1nar en
cualquier punto del sistema.
Por e¡emplo: densidad.
temperatura y presión.
f unciones de estado
Entre las variables termodin~micas existen magnitudes llamadas funciones de estado. Esias tienen un valor definido y único para cada esta•
do del sistema, sin importar los pasos intermedios que se siguen p¡,ra
alcanzarlo; solo dependen del estado inicial y final del sistema.
Las funciones de estado se relacionan entre si mediante una ecuación,
llamada ecuación de estado. Por ejemplo, para un gas ideal la ecuación
de estado es:
Un sistema se encuent,a en
equilibrio cuando las variables
de estado se mantienen constdntes en el tIernpQ. Así, en
una reacción quimica, el s1stemd alcanzar~ el equilibrio
cuando el volumen, la temperaIura. la presión y compos,o ón no varían en el IIempQ.
Es1ado
Al estudiar un srstema solo
fnal
interesa el eil<.ldo in,cial y
final, y no los (i!n"l1nos
<ecorridos pora
•i
•.
l\
j
,_··-"---"
Estado nicial
C&11 node la lransfOfrr.ación
transformar:s~.
Para llevar a cabo el estudio de la termodinámica. primero se debieron
definir tres conceptos fundamentales: energía. calor y trabajo.
Energía
La energía se define como la capac,dad de un sistema para producir un
trabajo. Cualquier sistema químico. a una presión y temperatura determinada. posee una cantidad de energía almacenada en su interior
debido a su composición. llamada energía interna.
La energía interna (U) es una propiedad característica del estado en
que se encuentra un sistema químico. y equivale a la totalidad de la
energía cinética y potencial de las partículas que lo constituyen. Es una
función de estado. po,que solo depende del estado inicial y final del
sistema, y es una variable extensiva, ya que depende de la masa del
sistema.
Calor y energfa interna.
Cuando se entrega calor a
ura sistema, aumenta la
ene,gia interna de este
Cuando ocurre una transformación en un sistema, la cantidad de energía existente varía. Esta variación se produce por el intercambio entre
el sistema y el entorno, y puede ocurrir en forma de calor o trabajo.
Sistema I¡
!
Sistema lt
trabajo
entorno
calor
energía que se transfiere de
Calor (Q)
Se denomina calor íQ) a la transierencia de energía que se produce de
un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatu•
ra. El calor fluye desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor
tempera1ura hasta que ambos se igualan, es decir, llegan al equilibrio
1érmico.
un sistema a 0110: en cambio.
la temperatura es UN medida
de la energía cinética de las
moléwlas de un sistema.
El calor no es una función de estado, ya que no es una propiedad del
sistema. sino que depender~ de ta íorma en que se real,ce el proceso,
es decir. de cómo el s1s1ema pasa del estado inicial al final.
Calor y temperatura.
Como se sabe. el calo, es la
11
Trdbajo (W)
Otro mecanismo de transferenáa de energía es el trabajo (W). En este
<uso, la energía se intercambia mediante un dispositivo mecánico entre
1•1 s,stema y su entorno. Matemáticamente se define como el producto de la fuerza (F) aplicada sobre un cuerpo y la distancia (d) que este
recorre.
1-1 trabajo, al igual que el calor, no es una luncíón de estado, pues
depende del camino recorrido. es decir, de la forma en que se realiza•
rá la transformación termodinámica.
Por ejemplo, si se tiene un sistema (ver ligura de la derecha) en el cual
se encierra un gas en un recipiente, este puede realizar trabajo sobre
el entorno al expandirse y desplazar el pistón. Esto ocurrirá si la presión
del gas es mayor que la presión externa. Ul expansión continuará hasta
que ambas presiones se igualen.
Para señalar el sentido del intercambio que se produce en un sistema,
se han determinado los siguientes criterios:
■ Cuando el sistema realiza un trabajo contra las fuerzas exteriores, el
valor del trabajo tiene signo negativo (-), y disminuye su energía
interna.
■ Cuando el trabajo es
realizado por las fuer•
zas exteriores sobre el
sistema, el valor es
positivo(+), y aumenta su energía interna.
■ Si el sistema libera - W
calor, el valor es negauvo (-). y disminuye la
energia "1terna.
■ S1 el sistema absorbe
calor. el valor es positivo(+). y aumenta la
energía interna.
ptxtr.-10f = p (IIN or
Unidades
termodinámicas
Magnitud
IQI
[WJ
Unidad
calorías (cal) o
jou!c OJ
joule (J)
Equivalencias
1 J = 1 kg x m21s2
+Q
1 cal = 4, 184 J
aa
La energía interna de un
sistema a sfodo es constante,
es decir, la variación de
er.ergia interna (e.U) es nu~:
AU = ~ Us,s,('r'l'l3 + AUentJtro
<.\U = 0
La termodinámka se basa en dos pnncipios: la energla del universo es
constante y el desorden del universo aumenta continuamente.
Primer principio de la termodinámica
El primer principio de la tetmodinám,ca se basa en el principio de conservacíón de la energla, el cual establece que: la energía en el universo permanece constante. Esto quiete decir que la energía solo se transfiere entre un sis1ema y su entorno.
Por ejemplo, cuando un sistema cerrado (ver figura de la izquierda)
absorbe calor, una pane de este se utiliza para teahzar un traba¡o:
expandir el gas para mover el embolo; el resto se almacena en forma
de energía interna. Si este razonamiento se expresa matemáticamente
utilizando el criterio de signos, se llega a la ecuación:
Donde óU es la variación de la energía interna entre el estado inicial y
r,n¡¡I.
La primera ley de la termodin.imica también se puede enunciar como:
la variación de la energía ,nterna de un sistema es igual al calor absorbido más el trabajo externo realizado por el sistema. Siendo su expresión materntitica;
Ejercicio resuelto
1 Calcular la variación de energla interna para un sistema que ha absorbido 2.990 J y realiza un
trabajo de 4.000 J sobre su entorno.
Según el con'l1?nio de signos· Q =2.990 J y W =-4.000 J.
Se aplica la expresió~ matemática pa,a el ptimer prir.op,o de la termodinámica:
óU = Q+W
e.u= 2.990 J + {- <1.000 J)
ó U = - 1.0t0 J
El sistema ha disminuido su ererg'a interna en 1.010 J
11
Entalpía
A
1 , entalpla (H) describe los cambios térmicos que se llevan a caoo a
, 11 s,ón consIante. Esta se calcula a parur del primer principio de la ter"'' d1Mmica (óU = Q + \'V). En los procesos a presión constante es fre, 11mte que. a medida que transcurre la reacción. exista un pequeflo
, Imb10 de volumen. el que se expresa como: w = -P x óV. Asl, el pri' Pr principio de la 1ermod1námica !orna la forma de:
H
0
l
~ll>tOl< l
;.;R'a"aaa1";;.'a"=
a -fJans<u1so de l.l 1eaccíÓ(!
donde, Op es calor a presión constante.
f'ur lo que, para el calor intercambiado en estas condiciones se cumple:
11
0
11 término U + P x V recibe el nombre de entalpla (H). La entalpía es
una función de estado, ya que no depende del camino recorrrdo.
Además, es una propiedad extensiva, ya que depende de la masa del
l\tema. La expresión matemática queda:
Proceso endotérmico (a)
y exotérmico (b). En (a} la
t., variación de entalpla (AH) es igual a la diferencia entre la entalpla de
los productos y la de los reactantes (AH = Hproducto, - Hrcac,ank'Sl·
Depend enclo del calor puesto en juego en un proceso qu!mico, las
reacciones pueden ser endotérmicas o exotérmicas.
■ Si óH > O. el sistema absorbe calor, el proceso es endotérrnico
energía de los reae1an1es es
meno, que la de los
p,oductos, por lo que se
absorbe energía del entorno.
En (b) la energ'a de los
1eactames es mayo, que la de
los productos, p0< lo que se
libera energía al etitorno.
■ Si óH < O. el sistema libera calor, el pmceso es exotérmico.
Ecuaciones termoquímicas
lndi<:an las relaciones entre las masas de las sus1ancias que inteJVienen.
y los cambios de entalpía que acompañan al proceso, en condiciones
dflerminaclas de presión y temperalura . Asi, a I alm y 25 •e la ecuación:
óH = - 22,0 kcal
indica que a estas condiciones, 1 mol de N2 gaseoso reacciona con
3 moles de Hz gaseoso lormanclo 2 moles de NH 3 gaseoso. El cam•
b10 de en lalpía que acompal'la esca reacción es de - 22,0 kcal.
s; la ecuación se in•,ie11e. el
valor de ~H se conse,.,a pero
camb.a de signo.
111
Energ1as de enlaces
Enlace Energfa (kJ/rnol)
H- H
436
347
0=0
497
945
N•N
155
F-F
CI 242
e-e
e,
81- Sr
C•N
(:0
1- 1
( : (
C=C
C- H
N- H
0- H
0-0
'-
-
e- o
,-
(-N
N- ~
N=N
192
887
735
151
610
830
415
389
460
152
355
285
163
412
Se llama energía de enlace a la variación de en1alpia que tiene lugar
cuando, en estado gaseoso y en condiciones estándar, 1 mol de mol~
culas se disocia en sus átomos.
Se puede ca!cuíar la variación de la entalp/a de una reawón química,
considerando esta como un proceso en el que se rompen ciertos enlaces, y se forman otros nuevos. De esta formo. se deben seguir los
siguientes pasos:
■ Establecer fa ecuación química balanceada para la reocc,ón que se
estudia.
■ Escribir las fórmulas estructurales para los reactantes y los produc•
tos de la reacción.
■ Identificar los enlaces que se rompen en los reacwmes.
■ ldemificar los enlaces que se forman en los productos.
■ Hacer el cákulo correspondiente al balance energet,co. según:
L\H) = l: ene1gia en'am rotos ., l: ene,gla enlaces formados
-
Se debe tener en cuenta que al formarse un enlace se libera energía y
el valor será negativo; cuando se rompe el mismo enlace. se absorbe
la misma energía, luego el valor será posllivo.
Por ejemplo:
Ruptura de enlace
Formación de enlace
e-e
e-e
+347 kJ/mol
- 347 kJ/mol
Ejercicios resueltos
Escribir la fórmula estructural de la siguiente ecuación qulmica.
►
7 01(g)
....
2 H-C- C- H +
7 0 =0
.... 4 0=C=0 ., 6 H-0,-H
2 C1H6;91
4 C01 l<Jl +
6 H10 (g>
HH
1 1
1 1
H H
2 Calcular la entalpía de formación del amoniaco según la siguiente reacción:
1
N2(9) + 3 H2(9) ➔
2 NHJ(gl
N• N + 3 H- H ➔ 2 H-N-H
1
H
Primero se dcwminan los enlaces que se 10m;ien y forman en la reacción:
• Se rompe un enlace N..N y 3 enlaces 1-1-H.
• Se fo,man 6 e,1laces N-H.
lvego. se buscan lasenergías de los enlaces que se rompen y que se forman en !a reacción.
Se rompen: N= N = 945 kJ/mol
H- H = 436 kJ/mol
Se fo,man: ~ = 389 kJ/mol
Frnalm<?nte. se remplazan en la ecuación:
6111 = ¿ energía enlaces rotos ~ t energía enlaces formados
ó Hf = [945 kJJmol + (3 x 436 k//irol)) + [6 x -389 kJ/mol]
ó H~ = -81 kJ/mol
El salo, indica la cantidad de energía que se re~iere para levar a cabo la reacción. Se deduce que es una
reacción erdoIérmica.
3. Calcular la entalpía de la reacción para la combustión del propano (C3H8) y detenninar si la
reacción es endotérmica o exotérmica. La ecuación química es:
C¡Ha(g¡ + 5 0 2 tg) ➔ 3 COHgl + 4 H20 (gl
HH H
r
,
H- C-C-C-H + 5 0=0 -> 3 O=C=O + 4 H-0-H
1 ,
r
H HH
Primero se detetminan los enlaces qse se rompen y forman en la reacción:
Se rompen 2 enlaces C-C, 8 C-ti y 5 0:0. • Se forman 6 enlaces C=O y 8 O-H.
Se busc;,n las energías de los elllaces que se rompen, que se forman en la reacción.
Se rompen: C- C = 347 1()/mol
C-H: 415 kl/mo.
0=0 = 497 kJ/rnol
Se forman: C=O = 735 kJ/mol
0-H = 460 kJ/mol
Fralmente, se remplazan en la ecuacr6n:
óMf = r erergia enlaces rotos• r energía enlaces formados
ó Mf = ((2 x 347 kllrno') ◄· (8 x 41 5 kJfmol) + (Sx 497 kJ/moll] + [(6 x -735 kJ/mol) + (8 x-460 kJ/moQ)
ó H~ = - 1.591 kJ/mol
El valo, indica la cantidad de energía que se l·be<a al eniOMo. Se deduce que es una reaccióe exotérmica.
11
La ,ondicióo estándar se
indica añadiendo el
superíndice ·•· a 1a variación
de entalpía.
, ,.
AH~
<ol'dic,,j,- ts.13ncar
Se llama estado normal o estándar de un elemento, a la forma lfsica
más estable a 1 atm de presión y 25 º C de temperatura. A este se le
asrgna el valor de entalpía O.
Entalpfa estándar de formación (óHf)
Es la canl!dad de energía absorbida o liberada que resulta de la formación de I mol de compuesto a partir de sus elementos en condic,ones
estándar. Por e¡ernplo:
Ecuación 1: 2 C ¡,; + 2 H2 <sl-> c 2H4 (gi
Ecuación 2: e<•> + 02 (g>-> C02 (s,>
Entalpias estándar
de formación
h.Hj
kJ/mol
CH¿¡gl
74,9
C¡M0lg)
-84,7
C2H«ll
S2,3
C¡H¡ (;)
- 226,8
C3Hs¡;)
- 103,8
C,H10191
- 124,7
CH¡OH !t
- 238,6
Clt¡COOH (1)
- 487,0
H¡ (¡)
o
CO¡<J)
-1 10,13
C02<11
- 393,5
H¡O tg!
- 241,8
H¡O¡»
-285.8
NH¡ tg)
46,2
CuOilJ
- 156,1
Cu ¡,i
o
o
~
~.
h
ºl(<J)
Ci H6l9l
11
1 = 52,3 kJ/mol
AHf = -393,5 kJ/mol
6H
El valor de 11H¡ propo,oona vna medida cuantitativa de la estabilidad
de un compuesto respecto a sus elementos. Asi:
■ si Nlj es posr11vo (ecuación 1), el compuesto es más ,nestable que
sus elementos, y su formación se lleva a cabo si los reactivos absorben calor.
■ si .:.Hjes negativo (ecuación 2), el compuesto es más estable que sus
elementos, ta reacción libera calor.
Entalpla estándar de reacdón (uH: l
Es la vanación de enlalpla de una reacción que se efectúa en estado
estándar. Para una reacción general como:
a A+ b 8 ➔ c C + d D.
óH~ está dada por:
&Hf = t n11H1(pmductos}- D,,óH1(reaaantes)
-
-
20,4
Donde:
n y m son los coeficientes es1equ1ométricos de la reacc,ón
Entalpla estándar de combustión
Es la variación de entalpía que se produce cuando se quema 1 mol de
sustancia en condiciones estándar. lodas las entalpias de combos116n
son negativas.
Ejercicios resueltos
1 Calcular la entalpía estándar de reacción para:
Corno:
óH1 = ¿nóH1(p,oduaos) - tm6H1(reactantes)
Se remplazan los val01es de acuerdo con la tabla de la p. 120.
c\llf = l6H1(CO¡) + 2 ó H1(Hz()) + 4 6H1(Cu)J - Í61-f'/(CHJ + 4 il.H'/(CuO)]
il.Hf = [- 393,S kJ/mol + (2 x -285,8 kJ/rnol) + (4 x OkJ/mol)]- [-74,9 kllmo + (4 x -156, 1 kJ/mol)]
ó H1 = - 265,8 kJ/mol
La reacción es exotérmica.
2. calcular la entalpla estándar de combustión del propeno C3H6, según la siguiente ecuación:
il.H/ = lni:.H¡(prod.rctos) - l m6H1(reactantes)
Se remplazan los •:afores de acuerdo con la tabla de la p. 120.
6H) = [3 x a\H1(CO¡), 3 il.H!(H¡O)] - [;.\H¡(C3H&l
óH'/(0¡)]
6H) = l(3 x -393,S kJ/mol) ·• (3 x - 285,8 ld/mol)J - [20,4 Id/mol + ( {x OId/mol)]
il.H( = - 2.058,3 kJ/mol
·•!
la reacción es exotérmica.
3. Calcular la variación estándar de entalpia asociada a la reacción:
utilizando las entalpías estándar iPdicadas en la tabla de la p. 120.
Se remplazan los valores en la ecuación:
o Hj = r, o Hj (productos) - r, oHj (reactantes)
ó Hj = l-393,5 kcalimol + (2 x - 285,8 kcalirnol); - l-74,9 kcaVmo + (2 x Okcaltwol)I
o Hj =- 890,2 kcal/mol
La reacoón es exotérmica.
La ley de Hess esLablece que la variación de entalpía de una reacción
qulmica, cuando los reactivos se transforman en productos, es independiente de cómo se produzca la reacción, es decir, no varía si se rea1,za en una etapa o en vanas.
Por ejemplo, el hidrógeno y el oxigeno reaccionan directamente formando vapor de agua, según:
AH = - 241,8 kJ/mol
Tamb,~n se obtiene a partir de una serie de pasos:
½0 2 (g; ➔ H20 11)
AH 1 = -285.8 kJ/rnol
(2)
li20 (IJ
➔ H20 (gj
AH2 = 44 kJlmol
( 1) H2 ¡g) +
Si se suman las etapas (1) y ( 2) queda:
AHf,nal = .:.\ 1-1¡1) + Ai-1¡21
AHfi,a = - 28S,8 kJ/mol + 44 kJ/mol
AHr.,. = -24 1,8 kJ/mol
Se observa entonces, que la suma de la energía liberada en cada una
de estas reacciones tiene el mismo valor que cuando el proceso ocurre
en una sola etapa.
AH
=
AHfll\ll
- 24 1,8 kJ/mol = -241,8 kJ/mol
H
AH = -2 14,8 kllrr.ol
<!.H 1= -285,8 kJ/mol
AH= <!.H, +AH¡
H¡O(g)
L\H¡
=4,1 l:Jimol 1
H¡() 11)
Sentido de la reacción
Lis un1d,ldes no se encuentran a escala.
11
Al analizar la ley de Hess, se
puede determinar que es
una consecuencia direcla de
la ley de conservación de la
energía, ya que en una reacc,ón química se absorbe o
libera calor transformandose
los mismos reactantes en los
mismos produ«os, bajo
iguales condiaones de presión y temperatura, e independieme del proceso por el
cual se lleve a cabo.
Ejercicios resueltos
1 Calcular la variación de entalpfa (AH) que se produce en la reacción de transformación del
diamante en grafito:
C (diamante) - > C (9r11flto)
Esta reacción demora millones de años en llevarse a cabo. por lo que es imposible me<fr experimentalmente
el ó H. Por ello se determina de acuerdo a sus etapasaplicando la ley de Hess:
( 1)
(2)
C,d....,,;e¡ + 02 ifl) ➔ CO¡ ,9)
C (¡n•,o; • O¡ (gl ➔ CO¡ (;)
óH = -395,4 kJ/mol
L\H = - 393.5 k//mol
C tdiomante: • C (¡,a'oo) + 2 O¡ (gl ➔ 2 CO¡ (<Jl
L\H = - 788.9 kl/mol
Se puede obsE!fVa1que la ecuaoón no cooespo'lde a la del pioblema planteado. po, lo que paia pode,
,eso •1e1 el problema. se c'ebe primero ordenar la información. Como el "111>ono g,afito se encuentra en los
p,oduClos, se inviene la ecuación (2). y pasa a se< un proceso endotérmico, formándose la ecuació11 (3).
(1) C (c>•an:e) + /2(;) ➔
(3)
~i!ll
( :diJM-Ylt)
➔ C (91!1.:ol + 9fo¡
.:IH = - 395,4 kf/rnol
.:1H = +393,S kJ/mol
➔
.:1H = -1,9 klimol
~(;)
( <giaflt~)
2 Calcular .1Hr para la formación de la acetona (CH3COCH3) según la reacción:
3 C (s) +3 H2191 +-½ 0 2 (g) ➔ CH3COCH3 lll• conociendo los valores del c;ilor de combustión:
H¡lg) +70l(g) ➔
H¡O ¡¡¡
(2)
C (!; + 0 2 (,¡) ➔
CO¡ (gl
(3) CH3COCH3(1) + 4 O¡ (g> ➔ 3 CO¡ (,¡) • 3 H¡O 1,¡
(1)
AH = - 285,8 klimol
.111 = - 393.5 klimol
AH • - 1.786 kJimol
/x3
/x3
Para resol1•er el prob'ema, se debe mu'tiplicar la ecuación (1) y (2) por 3 e iflveni· la ecuación (3).
(1)
(2)
(3)
+¾efi
3 Hz(;)
(gl
3 C (s) + }Ó2 1g)
~l(<J)•~0(I)
}J"íÓ 11)
➔ CH3COCli ¡ 1) 'l,,0Í(<J)
AH • -857,4 kJ/mol
AH = -1.180.5 kllmol
L\H • + 1.786 kJimol
CH¡COCH3 (1)
!!IH = - 251,9 kJ/mol
...
➔
3 Hi¡9, + 3 C (s) +f02 :g: -+
µ<JÍ(,¡)
+
M áquinas térmicas
Una máquina térmica es un disposí1ivo que transforma la energla interna en trabajo. En una máquina térmica el calor sale desde una fuente
de alta temperatura hacia una de baja 1emperatura. Esto provoca que
toda máquina térmica gane calor desde el recipiente de alta temperatura aumentando su energla interna. Una pequel\a paIw de esla energía se convierte en trabajo mecánico y el reslo es expulsado al recipiente de menor energía.
Para que una máquina térmica tenga rendimiento ideal. todo el calor
debería transformarse en llabajo; sin embargo, esto no ocurre, ya que
para comple1ar un ciclo siempre existe una pérdida de ese calor. una
máquina eficiente es una máquina que tiene el máximo rend1m1enlo.
es decir, que produce el máximo trabajo con el mínimo suministro de
calor. Esto se conoce como eficiencia o rendimiento (~) de una máquina térmica:
Elociencia _ ____t:. .ra:. .b:. .a,.jo: . . ,:,p. .:ro.. :d...:uo
...:...:d.co_ __ = _V_
v
calor sum1n1strado por el ambiente
aQ
El trabajo realizado por una máquina equivale a la diferencia de temperatura entre una luente caliente y una fuente lria que recibe el calor
perdido en el proceso;
En una máquina térmica es imposible convenir todo el calor summistrado de
maneta útil pa<á reaizar un trabaJO. po<~ue p.ine del ca101se pierde.
calor sumin·stra<lo • eneigía útil , ene<g'a ioútft
Eje~os de máquinas que presentan pérdida de calor son las máquinas de
reñigeración y las de v.ipor.
El calor fluye naturalmente de un cuerpo caheme a uno trío pero no al
revés. Estas obse1vacoones llevaron al físico alemán Rudolf Claus1us a for•
mular la segunda ley de la tennodin.ímica. el calor pasa espontáneamente de un cue,po de alta temperatura a otro de menor temperatura.
Cttlo de Carnot
En 1824, el ingeniero francés Nicolas Léonard Sadi Camot describía
una máquina imaginaria e ideal, que íuncionaba con dos fuentes de
1emperatura produciendo el máximo rendimiento. El ciclo de esta
m.lquina consistía en dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas; además, el proceso era totalmente reversible, es decir, podía funnonar tanto en un sentido como en otro.
1,1imponancia de la máquina de Carnot es que no existe otra máqui1M térmica más ef,ciente que trabaje entre dos temperaturas T1 y T2 :
Retrato de Nicolas Léona1d
Presión
Sadi Carnot (1796-t 832).
A
.,,. Expansión
Comptestóo
o ---.....- ~ c
Qlrío ~
Volumen
1~ ecuación general de eficiencia ideal es:
Eficiencia ideal
Tul ente - Tiria
Tcal1en1t>
Otra manifestación de la segunda ley de la termodinámica indica que:
la cantidad de energfa del universo es constante y la disminución de la
energía disponible es continua. La segunda ley es un indicador del sentido del tiempo. esto quiere decir que los procesos de la naturaleza son
irreversibles.
En 1865, Clausius introdu¡o el concepto de entropla como una medida para expresar cómo la energla útil se transforma en otro tipo de
energla.
En 1878, Bolt2mann refOfmuló el concepto de entropía diciendo que
la entropla es una medida del desorden del universo. En estos términos, la segunda ley puede formularse: la entropra (AS) de un sistema
d1slado crece con el tiempo o permanece constante, pero la entropía
del universo siempre crece.
Además de ser un pionero en
las máquinas térmiais. Carnot
participó como capitán en la
defensa de París en 1814.
Espontaneidad de las reacciones químicas
Una reacción es esponMnea cuando ocurre en determina•
das condiciones. por e¡emplo, de presión. 1empera1ura o
concentración. L3s ,eacciones esponláneas transcurren en
una sola etapa, por esto son procesos irreversibles, a
menos que se aplique energía al sistema.
H
A+
ó H<O
+O
Ejemplos de reacciones espontáneas son: la reacción de
ox<dación de un metal. tos procesos de fusión y disolución
de sales. ya que estos evolucionan en un sentido que se
puede predecir. pero no volverán a su estado inic,al
Sentido de la reacción
Para que SI? inl(ie una
reacción. aul'IQue esta sea
exotérmtea, debe abs0t"be1
c,erta cantidad de energiil:
es la llamada energía de
acIi,ación.
Si bien la mayor pane de las reacciones exotérmicas ocurren de manera espontánea. no es una condición que lo garantice. ya que es posible que una ,cacción endo1érm,ca lo sea. Esto lleva a concluir que no
se puede predecir si una reacción sera o no esponténea si solo se consideran los cambios de energía del sistema.
Entropía
Para predecir la espontaneidad de una reacción química. es necesario
que junto con conocer la variación de la entalpía se conozca una nueva
magnitud termodinámica, la entropía.
La entropía (S) mide el grado de desorden de un sistema a nivel atómi-
Reacciones espontáneas.
Las reacciones espontáneas
wn de g,an inwés pa,a
quienes 1rabajan en el ámbito
íidusl!íal; sin embargo,
también es útil pa,a
cornpiender los complejos
p1ocesos biológicos.
co. Esta magnitud solo depende de factores como el número de partí•
culas o el estado ÍÍSÍCO de las sustancias. por lo que es una función de
estado extensiva.
En términos generales, la entropía aumenta a medida que el sistema se
desordena. y disminuye cuando aumenla el orden. Los cambios de
estado. la disolución de un sólido en un liquido, la mezcla de gases. las
reacciones químicas en las que aumenta el número de moles. son
ejemplos donde aumenta la entropía.
cambios de estado y entropía
>
11
~
Fquido
>
®
sólido
·,. gundo principio de la termod inámica
1,, espontaneidad y la entropía de una reacción llevaron a establecer el
·,•gundo principio de la termodinámica. Este establece que la entropía
Representac.ión gráfica
del aumento de entropía
d ,, univetSO aumenta en un proceso espontáneo, es decir, evoluciona
, pontáneamente para alcanzar un estado final de máxima entropia.
1d expresión matemática para el segundo principio es:
1
Reacta1tes
4\StJni.,-erso = ó.Ssrslema + ó.Sentomo
P1odooos
Ahora, si el proceso es reversible, el segundo principio se puede enunrw como: en un proceso reversible, la entropía del Universo permane•
<e constante. Asi, fa expresión es:
TraOSOJ<10 dt • reacc~
ól,.,,,,,., = áS._,..-. +AS,..,,,,< o
Productos
l Hropia estándar de reacción
Para poder determinar el valor de as.,0 ,.,,so, se debe conocer AS.,...,,.
y óSertcrno• Para obtener óSsostcmo se calcula la energla estándar de
reacción, siendo la expresión matemática:
s
óS, = :1:nSº (productos) - :1:mSº (reacrantes)
TraOSOJsso dt la 1eac001
donde, n y m son los coeficientes estequiométrccos de la reacción .
S1 en una reacción:
■ se produce mayor cantidad de moléculas que las que se consumen;
.\S es positivo.
■ disminuye el número total de moléculas: 65 es negativo.
■ no hay cambio en el número de moléculas, el valor de 6S es muy
peque/lo y puede ser positivo o negativo.
En un p1oceso 1evl!rsible a pres,ón y temperatura constante. 6Semo,no
es:
ASec,torno
ó Hcmomo
T
y como, L\Hentorno = - .:.\Hs;s:ema, en1onces
- L\Hs.6tema
T
s
Reac(,)lttes ........ Prod.<tos
AS(O)
TraOSOJl!O dt • 1ea«,on
óS.,..;l(ne = ~Sn~.s + .!\S<nc.,i:i = O
Según el segundo princ,pio de la termodinámica, para saber si un pro•
ceso es espontáneo, se debe conocer el óS..,,..,,. y óS..,,omo• Sin
embargo, calcular el L\Sc,itorno resulta difícil y lo que interesa general·
mente es conocer el ó S,.,,em•• Para ello, se establece una nueva mag•
nitud termod,námica llamada energla líbre de Gibbs (G), cuya expresión es:
1
G= H - TSI
La energía hbre es una función de estado eX1ensiva que determina si
una reacción química es espontánea o no. A esta contribuyen tanto la
entalpía como la en tropla.
Variación de la entalpía libre y espontaneidad
La variación de energía libre (óG) para un proceso a presión y temperatura constantes, es:
; óG : t,H - TóS 1
Para que el proceso se realice, óG s O. De acuerdo a esto.
■ Si t,G < O, la reacción es espontánea.
■ Si óG = O, la reacción está en equilibrio.
■ Si t.G > O. el proceso no es espontáneo. Se debe en1regar energla
del exterior para que se realice.
Almacenamiento de energía
libre solar por fotoslntesis
o
Energía lib,e
alta
Energía solar
11
carbono ~
O¡
Menor
opía
~
oGº = 2.870 kJ
L\Gº= - 2.870 !t.l
Los organ,smos fotosinteticos
comb,nan el dióxido de ca,bono
con agua p.1ra formar oxlge,10 e
hidrato< de carbono, los que
t1eneo una energla libre mucho
n ayor. Esta energia se libera en los
procesos me1aból1cos cuando os
h1drittos de carbono se ox100n.
Hidratos ce
rnei,o,
C02
H
¡O " " ' - -
entropía
i
Pos,bil,dades para la rel,1eión .\G = .\H - T~S
AH
L\S
AG
T
Tlpo de proceso
<0
>0
<0
a cualquier T
siempre espontáneo
<0
si Tes baja
espontáneo
>0
>0
si Tes alta
si Tes baja
no espontáneo
<0
si Tes alta
espontáneo
>0
a cual<¡uier T
nunca espontáneo
<0
-
<0
no espontáneo
>0
>O
>0
<0
Ejercicios resueltos
1. Predecir, para las siguientes reacciones qulmicas, si la variación de entalpía es positiva o negativa.
b. 2 H219J + O2(gl ➔ 2 H2O <Q
a. Como el número de moles de gasno varía, es imposible predecir el signo de t.S, por consiguiente, su vafo,
es muy pequeilo y puede set positivo o negativo.
b. Dos gases se transforman formando un liquido; óS es negativo.
c. Un sólido se convierte en gas; llS es positivo.
2. CalaJlar la variación de energía libre (óGº) que acompaña a la reacción de formac.ión del dióxido
de carbono:
C C•l + 0 2 (g) ➔ CD2(gl
Datos:
llH; {(Oz) = - 393,5 kJ/mol Sº (C) = 5,69 J/Kmol
s• (02) = 205 J/Kmol S' (CO2) = 213,6 J/Kmol
Se debe aplicar la expresión matemática: óGº = AII' - Tas•
Pe10, como no se tiene directamente 11s•, se debe calcula¡ según:
óS, = !nSº(productos)- ! mSº(reactantes)
óS, = (213,6 J/Kmol)- (S,69 J/Kmol + 205 J/Kmol)
óS, = 2,91 J/Kmol = 2,91 x l0'3 kJ/Kmol
•e
M í, a 25 {298 K) y I atm, llGº que acompaña a la formación de un mol de C01 es:
aGº = llH° - T65°
AGº = -393,S kJ/mol - 298;Kx 2,91 x 10·3 kJ¡KÍnol
llGº = - 394, 37 kJ/mol
COlllo llGº < O, el proceso es espontáneo.
E"ercicios
1. Nombrar los componentes de un sistema.
c. Srstema mec~nico que intercambia
energía entre el sistema y entorno.
2. Indicar las principales caracterlsticas de los
sistemas abierto, cerrado y aislado.
11. Calcular.
3. ¿Qué diferencias existen entre las variables
intensivas y extensivas?
a. La enta!pla para la formación de
N• N + 2 H- H - >H- NN-H
r ,
H H
4 . Identificar los procesos en que se libera o
absorbe energía.
Datos: energías de enlace promedio en
kJ/mol N - N = 163. N = N = 945,
N - H = 389. H H = 436. H - F = 565
b. AU para un sistema en el cual se
condensa 1 mol de vapor de agua. La
energia intercambiada en el sistema es de
3,056 kJ y el calor liberado al enromo de
40,7 kJ.
c. La energla interna de un gas. si se sabe
que este se expande de 0, 125 l a 1o.o L
a una presión constante de 4,25 atm. El
gas absorbe 25 J de calor.
Dato: w = F x d = ~ x AV.
d. AH; para la combustión del propeno,
hidrocarburo gaseoso empleado en la
fabricación del polrpropileno.
a. Ebullicrón de agua.
b. lncendro forestal.
c. Condensación de un gas.
S. Clasificar las siguientes reacciones como
endotérmicas o exotérmicas.
a . C (grafto) + 02 :9> ➔ Cü2 (())
AH = -94, 1 kcaVmol
b. CI➔• + 2 Oi -, C02 + 2 H20
AH = +79 kcaVmol
c. 2 H2 + 0 2 ➔ 2 H20
AH = -133 kcal/mol
6. ¿Qué tipos de procesos estudia la entalpía?
C3H6<9> + ~ 02 <gl ➔ 3 C02 (gl + 3 H20 .¡J
Datos:
7. ¿Qué son las funciones de estado?
Sustancra
20,4
8. Indicar qué ocurre en un sistema si este
libera o absorbe calor del medio.
9. Se~alar tres características de la Ley de Hess.
1O. Con qué conceptos se relacionan las
siguientes definiciones:
a. Capacidad de un sistema para producir
un trabajo.
b. Transferenci3 de energía que se produce
de un sistema a otro.
11
- 393,5 -285,8
o
e. óH de la reacción para: 3 A --> 4 D. de
acuerdo a las siguientes etapas:
l. F ➔ Z + H
AH = - IOOkcaVmol
11. A + Z --+ C + O t.\H = so kcal/mol
111. F + o -, 3 e
i.\H = 1 so kcal/mol
IV. H ➔ 2 Z
t.\ H = 300 kcal/mol
f. 6H para la siguiente reacción,
Au(OH)) + H3PO, -+ AuPO• + 3 H20 .
Datos· entalplas de formación
.o.H; A<.(OH), = 34 kcaVmol
c.1-1• H PO = 95 kcaVmol
1
13. calcular AH; para la reacción:
C,o0s ¡,¡ + 10 02 (gJ --> 1O CD2 (g) + 4 H20 (r)•
Datos:
f Sustancia
' .,
óHÍ (kJ/mol) 74,7
t.H; /wPO, = 31 kcaVmol
.o.H; H,O = 7 kcaVrnol
12. Determinar si la siguiente reacción es
espontánea a 800 K y a 1.200 K.
NH4CI (s) -+ NH3 (g) + HCI (gJ
Datos:
AS = 0,55 kJ/mol K y 6 H = 490,7 kJ/mol.
C100 8 0 2
O
C02
H¡0 ·1
- 393,5 j -285,8
j
14. El siguiente esquema muestra los cambios
de estado que experimenta un sistema,
indicando la energía liberada en cada etapa.
Explicar si Mte proceso es posible.
~
[~.r26,00kc.1J
¿J--
-104,60kJr:7 64.00k(:;)l r7t
--► ~ --<► ~
Solucionario
1. $~tema, límite del sistema. enwno y un verso.
2. Sistema abie,to: intercambia materia y energía con el en101no. Sistema cerrado: solo intercambia energía con el
e,,tomo. Sistema aislado: no intercambia materia ni energía con el enlomo.
3. l.<1S vañables inteosivas son independientes de la can1idad de mate,ia. Las variables extensi•,as dependen
d1reC1amente de la cantidad de ma1e,ia.
4 a. Absorbe. b. Libera. c. Abs-Orbe.
S. a. Exolérmica. b. Endotérmica. c. Exotérmica.
6. ESIJdia los camo·os de energía en procesos que se llel'an a cabo a presión cons1ante.
7, Son magnitudes que tienen un valor definido y úníco para cada estado del sistema, sin importar los pasos
intermedios que se siguen para a,canzarlo. Solo dependen del estado in,cial y final del sistema.
8. Si se libera calor sobre el medio desde el sis1ema, el signo es negativo y la ,e;,cción es exotérmica. Cuando se
absorb<! calo, desde el medio, el signo es positivo y la reacción es endotérmica.
9. Las 1eacC1ones ocunen a pcesión o volumen cons1an1e. Du,ante su 1ranscurso, se desprende o se libe,a calor. El
cambio químico ocuirido es el mismo cuando la reacción transcurre en una etapa o ,·arias etapas.
10. a. Energi.J. b. Calo,. c. Trabajo.
11. a. óH = 98 kl. b. ,W = - 37,64 kJ. c. AU = - 16,97 J. d. ó~ = - 1.977.3 kJ/mol.
e. 3 >\ ➔ 4 o AH = 200 kcaL'mol. f. H= - 77 kcalimol.
12. Para 800 K, c.G• = 50, 78 kJlmol por lo tanto, AGº = ~. ,eacción no espontánea. Pa,a 1.200 K,
t.G• = - 169,38 '<Jimol, po, lo 1anto, t.G• = -, reacciói esporitánea.
13. AH~= -S. tS2.9 <.!/mol,
14. l a ,eacoón no es factible, ya que contradice la ley de conse1vaaón de la e,1erg·a.
Cinética y equilibrio
químico
.-:Inel lanzamiento de Ílff!90S artificiales se puede notar qve el
l . : lestallido y los destellos solo duran fracciones de segundos en
el cielo; si se obse,va la oxidación de algunos barcos se podrá advertir
que eS1a va aumentando al pasar el tiempo. Estos ejemplos son muy
cotidianos, pero esconden interrogantes muy importantes: ¿por qué
algunas reacciones ocurren casi espontáneamente y otras pueden
demorar años?, ¿se pueden controlar las reacciones qufmrcas?
Por arios, y hasta el dla de hoy. estas preguntas han sido fundamentales para muchos científicos, ya que el conocer la velocidad con que
ocurre una reacción o cómo se puede influir externamente en su equilibrio, puede traer grandes beneficios. Por ejemplo, en la producción
industrial, conocer los factores que determinan la velocidad de una
reacción. como el estado de división o los catahzadores. permite manejar la rapidez con que se desea obtener los productos. Asf tambi~n.
conocer los factores que influyen en el rendimiento de la reacción,
como son la concentración. la presión o la temperatura, puede aumentar la producción de una empresa.
Organización de los contenidos
( Reaccione-s químicas
velocidad dé reacción
equrlibrio quirnico
ley de vélocidad
rendimiento dej
una reacción
principio de
Le Chátelier
mecaniWo
de reacóón
reversibles
f lactores que la afectan
irreversibles
constante de equilibrio
temperatura
estado de
división
catalizador
naturaleza de: c00<entración
las sustandas
de los
reaccionantes !
reactantes
1
11
c5
vanación de la¡ 1 variaóó~_de la'
concem,ac,ón
presron _
reacción
reacción
directa
inve,sa
.___'
variación de la'
temperatura !
.
'
~
11
'
'
'
(
•
Teoría de las colisiones.
Explica cómo OC111ren las
reacciones quimicas. Postula
que para que una reacción
química se produzca, los
átomos, moléculas o iones
deben choca, entrn si, con
una orientación adecuada y
una mlnima energía.
'\.
<, / '
..
.
'o,
:
•
•
;.<'l;;."•\~ \
,!-• .\ > • •' 'e:,,>> •
La velocidad de reacción (v) se deíine como el cambio en la concentración de un reactivo o de un produclo en un peóodo de liempo determinado, es decir, la cantidad de reactante consumido o producto íormado en ese liempo. Matemáticamente se exp,esa como:
E
dad -
d {reac11vo o producto)]
.
d tiempo
----
Reacciones simples
La velocidad de una reacción simpk>. como: A --> 8, se puede calcular
según la variación de las concentraciones del reactante y del producto.
Asf:
■ la disminución del reactante IAI se expresa:
t\lAI
v = - -t.t
Si ves negativo, 1nd1ca que la sustanoa
desaparece o se consume con el tiempo.
■ la formación del producto (B) se expresa:
Si v es positivo, indica que la sustancia
aumenta con el tiempo.
Reacciones complejas
La velocidad de una reacción compleja, como: 2 A--, 8, donde dos
moles de A desaparecen mientras se forma solo I mol de 8, se expresa según:
Disminución del reactante
1 6[AI
Fo,mación del producto
d[B]
•V = - ,1\
v= -2ó\
Ejercicios resueltos
La ecuación que representa el proceso de
descomposición del ácido carbónico es:
H2C03 ➔ H¡O + CO¡
Escribir la expresión de velocidad para el
proceso.
ó(H¡O]
i.\l C01I
ólH¡CO¡I
\' =-- -: - -: - - - L\t
61
61
11
2. La ecuación que representa la oxidación del
bromuro de hidrógeno es:
4 HBr + 02 .=I 2 H20 + 2 Br¡
Estribir la expresión de velocidad para el
proceso.
1 6 IH¡Ol 1 .1!Br2I
1 ~HBrl
ól01I
!/ - - - - - - - - - - - - -- - - -
2
L\t
2
L\I
4 6t
61
Las unidadesde la ley de
velocidad son:
Ley de ve locidad
La ley de velocidad de una reacción qulmica es una expresión matemática que relaciona la velocidad con la concen1'ación de los reac1ivos.
Para una reacción del 1,po
mol
o Mf 1
1 LX S
[ aA+bB ➔ cC+do J
la 1ey de velocidad se expresa como: "'4,.. ~
v = ~ ,~
e...1 ~ [ a1 ,..,,_
L ~ '--4-~ k
Donde:
k ~í~l
.a k es la constante de propordonalidad, la cual solo depende de la
naturaleza de los reactivos y de la temperatura. En condiciones
determinadas, su valor es el m,smo e mdepeAdiente de las concentraciones de los reacuvos. Cuando la constante de velocidad tiene
un valo, alto. slgnifica~e la reacción es rápida;~ la ~ tan~ de
velocidad es baja. significa que la reacción es lenta.
■ e, y Pse conocen como órdenes parciales de reacción; estos solo se
pueden determinar experimentalmente. generalmenle son distintos
de los coef,cientes estequiométricos de la ecuación y pueden ser
números enie,os, fraccionarios o incluso O. La suma de los órdenes
parCtales " + 11 se conoce como orden total de la reacción.
Al conoce, los valores de tt, py k, se puede calcular el valor de la velocidad, siempre que se conozcan las concentraciones de A y 8.
- -----._. _____. ,.__,.___ --·---·--.. . . - . .
Ejercicio resuelto
-- --.-..... --.----~~--
1. La ecuación global que representa la transformación del ozono en oxígeno es:
0 3 (g) + 0 (g)-> 2 02 (g)
Si las concentraciones de cada reactante son (O¡) = 1,2 5 x 10· 1 ~1; (01= 1,0 x 10"5 M, el orde~
parcial para cada concentración es 1, y el valor de k es 8 x 10S, a 300 K de temperatura, ¿cuál es
la velocidad de la reacción?
La expresión de la ley de velocidad para la reacción es: V = k 10111 101 1
remplazando los valores queda· V x 105)x 6,2s x 10-' M)xQ,O x 10-s M)
1<
[ oj
V = 1,0 x 10-6 Mis
=l8
["-.l
Reacciones elementales.
Solo en las ,eacciones
elementales los órdenes de
reacción coinciden con los
coeficien1es es1equiomé1ricos.
Una reacción elemental es
aquella que orurre en una
sola etapa.
El orden de una reacción permite entender la dependencia de la velocidad de una reacción con las concentraciones de tos reactivos o produetos participantes.
Dependencia de la velocidad respecto a la concentración del
reactante
Si se considera la dependencia de la velocidad con respecto a la con•
centración del reactante, se pueden dar grálícamente 3 situaciones:
f
ocidad
Reaccooo óe oró'<o <E<O
Reacción de orden o. ,_
La velocidad no
Sfepende ~I~ concentración del reaetivo, por lo que se obtiene una reeta para' lela al eje x; la velocrdad de reacción es
constante.
Con<entraci6n de ,ea<tWO
rVelocidad
Reacción de orden 1. l a velocidad
aumenta linealmente con la concentra•
920 del reaetante, es decir, son directamente proporcronales.
1
Rea«ión de
1
o</
1
(<)l'l(tnt,&eióo ce reactivo
~ocidad
Re.)(ción de ocdcn dos
Reacción de orden 2. la velocidad crece
exponencialmente, por lo que la curva se
asemeja a una parábola.
Ejercidos resueltos
t. la reacción de formación de yoduro de hidrógeno (HI) es: I¡ (g> + H¡ (g) P 2 HI (g) y la ley de
velocidad: v = k (12 )1 [H2)r . ¿Cuál es el orden parcial de 12 y H2 y el ordM total de la reacción?
A partir de la ley de 'lelOCidad se puede observar que el orden parcial de 11 y H2 es 1. por lo tanto, el orden
total de la reacción es 2.
En condusión. es una reacción de segundo orden.
11
2. Al estudiar la velocidad de una reacc.ión del tipo: a A+ b 8 P c C, se obtienen los datos:
•
velocidad inicial
(mol X l° 1 X s1)
concentración Inicial (M)
Experiencia
(A)
-
(8)
•
0,5
2
1,0
3
-
0,5
1,5
0, 5
0,5
1,0
4,0 X 10'3
0,5
2,0
16,0 X 10'3
4
5
-
0,5
1,0 X 10'3
1
-
-
2,0 X I0'3
-
.
3,0 X 10'1
-
Calcular: a. órdenes parciales y total de la reacción. b. Ecuación de velocidad. c. Constante de •1elocidad.
a. Eslima1ivamen1e, la ecuación de 1•elocidad es: v = k [Al" IBJP, donde a y fl son los órdenes parciales de la
reacción. Pata calcularlos se debe mantener constante uno de los reactanres, de esta manera cualquier
cambio en la velocidad de la reacción va a depend~r del reactante al que se le modifica la concentración.
Al obse,.,a, las experiencias 1, 2 y 3. se obseNa que Ll concentración de B es constante, entonces. se
puede relacionar la velocidad de la experiencia I y 2. Se tiene que:
"l.
..1
-l vL ""Y' ro1
L
v¡ =¼)A2lª úv,( 2,-0"x JO =(1º.\«
v1 = ~{IAilª{)?t 1,.0 x J.O~
•
~
2= 2«
,1og
-: ~
log 2 = log 2"
log2=a log2
Jpg--2'
=Jpg-r
ª
~~::.. [ J
1-<
- ___
ª =1
Al obsem• las experiencias 4 y) dond,e la concentración de A es constante, la relación queda·
Vs = ks IB1l~ • .16:0 x ur·
4= 2P nog
V4 = "4 IB,I~
4,0"x 1_97 110'
log 4 = log 2P
1
1
log4=fl log2
109 4
l
fl = log 2 fl= 2
a + ~ = 3, el orden total de la reacción 3.
-(2.º)ll
b. La ecuación ce l'elocidad se1á: v = k (A) JBJ 2
1
c. Para calcular el valor de la corulante de velocidad, se deben remplazar los val01es de la ,•elocidad y los
órdenes parciales en cualquie,a de las experiencias. Si se rem~ za en ~
ncia 3:
l
-
k- ~
v - 3,0 ,x 10-l 2
IA) IBJ [1,51 x [0,51
;
/+.J_f\-
k -- 8,Ox 10-3 mo1' L-2 s- 1
~ e '1
IIX.r': .
"t,\D,.
JJ.-
,.- """""~'""
1m
11
Secuencia de pasos para
estudiar un mecanismo
de reacción.
Medición de la velocidad
de la reacción quínica.
[
Expresión de la
ey de velocidad.
~
Postuloción de un
mecanismo razonable de
reacción.
El mecanismo de reacción es la secuencia de reacc,ones elementales
que se producen para transformar los reactantes en productos, efecto
que se observa en la ecuación química neta.
Dependiendo del número de partículas (átomos, moléculas o iones)
que intervienen en una determinada etapa elemental, se utiliza el término de molecularidad. De acuerdo con esto se pueden distinguir los
siguientes tipos de reacciones:
■ Reacciones unimoleculares. Reacción elemental que 1
mphca la des-
composición de solo una molécula de reactivo. Se expresa como:
J
Paso elemental.
Expresión de velocidad:
A
Ejemplo:
"' 1 ...,f..,_ ~ ~
l
Paso elemental:
Expresión de velocidad:
-+ productos
V= k (Al
-u<>-tliv<>' .
H~C03 -+ H20 + C02
v = k [H2C03)
■ Reacciones bimoleculares. Reacción elemental en la que participan
dos moléculas de reactivo, las que chocan antes de reaccionar. Se
expresa de las siguientes formas:
t• Paso elemental:
Expresión de velocidad:
A + A -+ productos
v = k (AJ 2
2° Paso elemental:
Expresión de velocidad:
A + 8 ➔ productos
Ejemplo:
v: k (AJ (8)
,
1....,
-z • .t..,_pPo- J.
:\P4-j;.,.,
Paso elemental:
Expresión de velocidad:
!:!.L'-H20 2--> 2 H¡O
v ~ k (H¡ ) (H10z)
• Reacciones trimoleculares. Reacción elemental en la que participan
tres moléculas de reactivo, las que chocan antes de reaccionar. Estas
reacciones. aunque son posibles, es muy poco probable que ocurran, ya que deben chocar simultáneamente ires partículas.
1m
M canismos complejos
l <1 reacción entre el monóxido de nitrógeno y el hidrógeno gaseoso,
1►Jra dar nitrógeno gaseoso y agua es ~1 siguie111e:
7 NO (gl + 2 H2 <g> ➔ N2 (g) + 2 H20 <g>
Para que esta reacción ocurra, deben chocar efocaz y simultáneamente
dos moléculas de NO con dos moléculas de H2; la probabilidad de que
r sto ocurra es casi nula. Sin embargo, al observar las reacciones ele·
1nentales
la probab,hd•d de que el
choque entre cuatro
m0Mc<1las sea eficaz, es
1• etapa (lenta)
práctic.amer1te nula.
2• etapa (rápida)
2 NO (gl + 2 H2 (g) ➔ N2 (gl + 2 H20 (gl
Reacción global
se observa que la primera etapa solo requiere de tres choques y la segunda de dos. por lo que la probabilidad
aumenta considerablemente.
E,
2 NO + 11 2 -+ N¡ • H¡O¡
Elapa "'1ta
1110 1 • 11 1 -+ 2 li¡O
La velocilf<l(l de la reacción estará determinada ~
etapa d~filminante d la.JIJ!locidad, que corresponde a la
etae,, más lenta del mecanismo. La etapa ráptda ocurre a
tal velocidad que no afecta la cinética de la reacción.
~acti'.'OS
P1oduc10,
l a etapa lenta es la responsable de la velocidad del proceso. ES1a etapa es la que posee mayor energía de act,vaci6n.
Ejercicio resuelto
-------
1. Se tiene una reacción del tipo: 2 A + 82 - > 2 C + D2• Deducir la ecuación de velocidad del proceso
global, si el mecanismo propuesto es:
A. A +S, ➔ AB+ 2C
B. AB + A ➔ 2 C ·• O¡
paso lento ( M. A,JU. -"_¡t,.. .._,..J,,.-,J.J, )
paso 1ápido
_Como la velocidad global de una reacción está dada por la l'elocidad del paso mas lento, y como en una
1eaccióo elemental la molecula,idad y el o,den de 1eacci<l11coinciden. entonces se puede deteiminar la ley de
,·elocidad de la etapa lenta, que es también la ley de velocidad del proceso global.
v = k (A)IB¡]
111
Naturaleza de las sustancias reaccionantes
Como regla general, la velocidad de una reacción:
■ entre iones en disolución es muy rápida.
■ en la que intervienen compuestos covalentes es muy variada.
■ de disoluciones homogéneas en las que intervienen llquidos y gases
es más rápida que en las que intervienen sólidos.
■ en las disoluciones heterogéneas aumenta al aumentar la superficie
de contacto entre los reactantes o a mayor agitación.
Et desprendimiento de H¡ es
m.ls ,ntenso en el caso de la
granalla (izquierda), porque
la superficie de comacto es
mayor.
Concentración de los reactantes
Las reacciones qulmicas que contienen sustancias en disoluc,ón se ven
íavore«das con el aumento de concentración de al menos uno de los
reactantes, provocando un incremento en la velocidad de la reacción.
En caso de tener reacciones con sustancias gaseosas. se consigue el
mismo efecto con un aumento de la presión.
Ludwig Wilhelmy
(1812- 1864) demosttO
experimentalmente que s, se
duphca la concentración de
reactlVOS, la veloodad de
reacción también se duplica,
La velocidad de una reacción aumenta si se eleva la concentración de
uno de los reactivos. ya que el número de colisiones entre los átomos,
moléculas o iones es más frecuente.
-
.
AJ disminuir ta temperatura,
drsminuye la velocidad de
las. reacciones metabólica$,
reduciendo la necesidad de
al11nenta,se.
Temperatura
Al aumentar fa temperatura de un sistema, las moléculas se desplazan
con mayor rapidez provocando mayor cantidad de choques, lo que les
permite alcanzar la energía necesaria para formar productos.
la velocrdad de una reacción endotérmica o exotérm,ca aumentará si
elevamos la temperatura.
Estado de división de los reactantes
La velocidad de una reacción química aumenta cuando:
las suS1anc1as con las que se trabaja son moléculas o iones que
poseen mayor libertad de movimiento. por ejemplo, en reaccio•
nes gaseosas o en reacciones con sustanc,as disueltas.
las partículas reacC1onantes. en estado sólido, se encuentran m~s
dNid,das, de esta manera, la superficie de contacto entre las molé•
culas es mayor, facilitando la probabilidad de choques electivos.
Catalizador (·t)
Un ca~OJ:.!S u ~ncia que no forma parte de los ieactaotes
ni de 105.ptodua~ vu .m:e~n<ia,-ª.\!n en can.fulad~.!!!.':!iJl_eg_t.J~
acelera una reacción química .''
Al disminuir la energía de activación por presencia de un catalizador, la
velocidad de reacción es mayor, esto es debido a que alteran el mecanismo de la reacción.
Energía
.J.
' _,;,.J.-1
l
acelera la reacción.
~ (+) , ~
Sin catal;zbdor
4.--
"";,¡
Mientras más finas sean las
partículas, may<)í es la
superficie de contacto, esto
favo,ece los choques y
k. ~ ~
iv.,
l.;:&,
~ (-). A--v."'1-' L. J\IA«,~;.,
~
reacción
Con cataliz.>d0<
Un ejemplo de catalizador biológico son las enzimas, pues permiten
que ocurran las reacciones al interior de las células en los organismos
catalizadores n _g~s.
VIVOS.
!os cataNzadores negativos
Mediante el modelo llave cerradura. una enzima (E) se acopla a un sustrato (S) para formar un complejo enzima-suslfato (IES)). Después de
cierto tiempo se separa. quedando la enzima intacta y el sustrato
transformado en un nuevo producto.
Fijación:
Transformación:
S + E f2 ES
ES P P + E
E + S P !ES) P E + P
disminuyen la velocidad de
2.na reacción. Por ejemplo, el
BHT(butil hidroxitolueno) )'
el BHA (butil hidroxían'sd) se
ocupan en la industria
alimentaria como
anboxidante en la
fabricación de aceitesy
grasas. ,etardando su
en,anciamiento.
Reacciones reversibles e irreversibles
Una reacoón química es irreversible cuando ocurre en una sola dirección, es decir. de reac1antes a produc1os. En cambio. una reacción quimica es reversible cuando ocurre en ambos sentidos.
Reacción Irreversible
Reactan1es--, Productos
Reacción reversible
Reactantes # Productos
los reactan1es y los productos
se separan por dos flec~
Cuando existe una lransformación parcial de los reactantes en productos se denomina reacción directa; y, a su vez, cuando los productos
pueden volver a generar los reactantes, se llama reacción inversa.
que apu111an en sen1idos
opuestos(¡::!), no1ación que
indica la reversibilidad del
p10ceso.
..
l
Reac1an1es ": Prod\Jctos
reacción mversa
RucciclnirMna
Rual6n,..cta
.;
B
i
~ A~
Ce
A
Psxlu<to>
Reactantes
Reacción gaseosa revetsible
La 1lusu~ión muestra que
tanto los fPrl<.1,lnte!> como
los productos f01man pa<te
de la reacción.
Velocidad de reacción
•t,l>Jd.>Jdlll N,0, --,2
ta:d:tldff't'W
4
reacción directa
.
l>/0,¡
'-
Tiempo
A
ª'
RHClantes
j
En las reacciones qulmicas la energía de activación (E,) determ,na si la rea<ción es posible o no.
Así,
■ una reacción ocurrirá con gran facilidad y será
reversible si la E0 de la reacción directa e inversa son similares.
■ una reacción que se desplace desde los prodU<tos hacia los reactantes será muy poco
probable, es decir, irreversible, si la Ea de la
reaccrón directa e inversa son muy diferentes.
Equilibrio químico
El equilibrio químico o equilibrio dínámlco se define como el estado
que alcanza un sistema cuando las velocidades de la reacción directa e
inversa son idénticas. En ese momento no se perciben cambios observables. es decir, las propiedades macroscópicas y la composición de la
mezcla permanecen constantes.
Un sistema alcanza el equihbrio solo si:
■ es un sistema cerrado;
■ las propiedades observables (masa, temperatura} no varían en el
tiempo.
El estudio cinético de la reacción muestra que al inicio, la velocidad de
reacción directa es mucho mayor que la inversa. esto se debe a I¡¡ diferencia de concentraciones entre los participantes. A medida que se
forma el producto, el reactante desaparece, con lo que las velocidades
se igualan.
consta nte de equílibrio químico
En el ar,o 1864, los químicos noruegos Max Guldberg (1836-1902) y
l'eter Waage (1833-1900) efeetuaron la primera descripción cuantitativa del equilibrio, conocida como ley de acción de masas. Con esta ley
~tablecian que: ··en toda reacción qulmica. a una determinada temperatura, el produeto de las concentracoones molares de los productos,
chvid1do por el producto de las concentraciones molares de los reactantes, elevada cada una de ellas a sus respectivos coeficientes estequiomé11icos. tiene un valor constante" . Asf, para una ecuación general del
hpo:
a A+ bBPcC+dO
la ley de acción de masas se expresa:
ICl¡q IDJ~Q
(A)!q IB)~
Donde:
a, b, e y d son los coeficientes estequiométricos.
K, es la constante de equilibrio de la reacción, la que tiene un valor
caracterlstico para cada temperatura. los valores de K, pueden ir .
desde casi cero al infinito.
Ejercicio resuelto
1. La reacción de equilibrio que se establece entre el hidrógeno y el yodo es: 12~¡ + Hz(g) --.(2JHI (g)·
Analizando esta reacción se sabe que hay 0,3 moles de HI en equilibrio con 0,8 moles de yodo y
de hidrógeno. Expresar Kc y obtener su valor, si el volumen del recipiente que los contiene es de
0,5 L
las coocentr.iciones en equilibrio son:
IHI!, = 0,3 mol
"' O,S L
de acuerdo a la ley de acoón de ma%:
En general:
Equilibrios homogéneos y heterogéneos
a
Equilibrio homogéneo
Se produce cuando todas las sustancias que existen en un sistema se
encuentran en la misma fase.
En el caso de que las sustancias se encuentren en estado gaseoso, Kc
cambia por K0, donde las concentraoones de reactivos y productos se
expresan en términos de las presiones parciales. Por ejemplo, para la
siguiente reacción en equilibrio:
12 (g) + H2 (g¡ P 2 HI (g>
col
Nótese que la pres,ón de
en ambas cubetas es la
misma independiente de la
cantidad de CaC03 y CaO
que exista en ellas.
l
la constante de equilibrio será: Kc =
y la expresión para K0,
_
Kp-
t
IHIJ 2
1121,q Hz1eq
i
2
PHI
fll2 PHz
donde. PHI• ¡Í¡2 y p¡.2 son tas presiones parciales de HI, 12 y
Hz.
Equilibrio heterogéneo
Se produce cuando las sustancias que existen en un sistema
se encuentran en distintas fases. Por ejemplo, para la
siguiente reacción en equilíbno:
c,o
caco¡
caco3 ~l ~ cao (!) + C02 <gl
la constante de equilibrio será: Kc - l~~~~~~zl
Sin embargo, en la expresión de equilibrio no se consideran
las sustancias sólidas, ya que estas no varían su concentración durante la reacción, por lo que la expresión anterior
quedará:
El valor de la constante de equilibrio no depende de la cantidad de sólidos que existan, siempre que una parte de ellos
se encuentre en equilibrio.
11
Información que proporciona Kc
Predecir el rendimiento de una reacd6n
El valor de Kc permite pronosticar la tendenc,a de los reactivos a convenirse en productos. Asl. para una reacción del tipo:
a A +b B!=cC +dO
s, en el equilibrio se cumple que: [Cl'eq (DI~> (A)!q [Bl~q- K, será
ek!vada y la reacción se desplazará completamente a la derecha.
s, en el equilibrio se cumple que: (Cfeq (DI~ < (Al~ JBI~. K, será
pequena y la reacción estará desplazada hacia la izquierda.
determinar si un proceso
Predecir el sentido de avance de una reacción
Este valor permite predecir el sentido en que se desplazará el equilibrio.
industrial producir~ la
suficiente cantidad de
p,oducto deseado como
para ser rentable.
la información que entrega
K, permite. por ejemplo,
Valor de K,
Transcurso de la reacción
Sentido de la reacción
K, rrw cho > 1
Desplazamiento casi total hacia los produa os.
R ~rea::dó'I dltt<Ul ,P
K, > 1
Desplazamiento parcial hacia los productos.
R (rtac<lon dittaa\ ,P
Kc < t
Desplazamiento pardal hacia los reaaantes.
Rr i1ta<oór irfí'MJ> p
R, !rf..ltd6n in'itnal p
Kc mucho < 1 1Desplazamiento casi total hacia /os reaaantes.
Ejercicio resue lto
1. Predecir el rendimiento de cada una de las siguientes reacciones.
a 25 •e; K. = 8,97 x 10-4 1 <- ,1
a 25 •e; K. = 4,90 x 1016
> I)
'
<>-.
l>
i ;,.,. . . ........~
( .,_,, ,,.f¡'.t,U}
~ ~ºL"".
l "~;;t,LCt) .
a. K, indica que cuando se alcanza el equiflbrio. la descomposición de/ agua en sus productos es
p,áaicamente nula.
b. K, índica que la formación del cloruro de hid1ógeno a panir de sus elementos no Nega al equilibrio hasta
la formación total del pioduao. por lo que es rwy ,entable.
El comportamiento de una reaccrón química frente a un cambio puede
predecirse, de forma cualitaliva, por el prindpio de Le Chátelier. Este
establece que: "si sobre un sistema en equ,librio se modifica cualquiera de los factores que influyen en una reacción qulmica, dicho sistema
se desplazará en la dirección que contrarreste el cambio".
Variación de la concentración
Si se a,,ade o elimina alguno de los componentes que intervienen en
el equilibrio, se esmá ejerciendo una acción externa sobre el sislema.
Esta acción no afecta la constante K,, pero si modifica las concentraciones de todas las sustancias. Por ejemplo, para una reacción del tipo:
cuya
aA+bBPcC+dD
Henn•louis Le Chatellef
(1850-1936) es1udi6 el
desplazamiento del
equ1hbrio químico y el\Un<ró
el princ pio Que hoy lklva su
oomb,e.
Esl<ldo
inicial
Estado
fina
K = ICI' [D)Ó
e IAI" 181b
!;Lse. aumenta la concentri!Ción de e, el equilibrio se.~~12lazará en el
sen11do de disminuir su concentración, Esto lo logrará aumentando las
concentraciones de A y 8. En cambio, si existe una disminucl ó ~ .
~ reacción ties~ará
sentidQ.de..comp"eosaJ dich; falta para
,~tablecerJaLcon.Qiciones iniciales, a t~vé~ d~una disminuaón de A
:x.§._evolucionando el eguilibrio a la derecha,
.;;--;¡
Variación de la presión total del sistema
Los cambios de presión no afectan, usualmente, a líquidos y sólidos, ya
que son incompresibles: solo afecta a aquellos equilibrios en los que se
ven ,mphcadas sustancias gaseosas. Por ejemplo, para la reacción:
N2 {gl + 3 Hi (g) ¡:t 2 NH3 (g)
t mol
2 N02 (o> ¡::t N20, íoi
Si consideramos el estado
1n1dal en el equilibrio, un
aumen10 de la ptesi6n
(e>1'lclo final) favorecerá la
ce-acúón difec1,1, es decir, la
formooón de óxido ck,
ni1r6geno ílV)
11
3 mol
2 mol
~
'----.;-/
4 mol
2 mol
l
. si en el sistema en equilibrio se aumenta la presión, el equilibrio favorecetá la reacción que implique una disminución de volumen, es decir,
donde el número de moléculas sea menor, Si se disminuye la presión
del sistema, se favorecerá la reacción en la que el volumen sea mayor.
En el caso de que ambos miembros de la reacción tengan el mismo
número de moléculas, no influye en el s1slema un aumento o disminución de la presión externa y, por lo tanto, tampoco inflvye un aumento o disminución del volumen del recipiente.
s
f·
.,.
~--w
..,·1,
'
.
'
',
\
,,
,
¼
'
Variación de la temperatura en el sistema
Un siStema en equilibrio puede reaccionar de dos
maneras diferentes frente a un cambio de temperatura:
Un aumento de temperatura desplaz<1rá la re<1cci6n
en el sentido que favorezca el procew que absorbe
calor, es decir, hacia una reacción endotérmica.
Una disminución de la temperatura desplazará el
equilibrio en el sentido que favorezca el procew
que genera calor, es deor, una reawón exotérmica.
La temperatura es el único factor, que modifica el
valor de la constante de equilib<,o y, por lo tanto, las
concentraciones de todas las sustancias implicadas
en esta.
Efecto de la temperatura en el equl ibrio
quim1co.
1. Para la reacción en equilibrio: 2 S02(g) + Ol(gl P 2 _g¡3 (g) + 198 KJ ¿qué ocurrirá con el
rendimiento de la reacción si: a. aumenta la [O¡]. b, disminuye la presión. c. disminuye la
temperatura. d. disminuye la [S0 3)?
a, Un aume1to en la [0 2) desplazará el equilib<io hacia la formación de productos. es deci,. a la derecha(->).
b. Al d'sminuir la p,esión del sistema se p,o.,oca un aumento del volumen. esto lle1•a a que el eqoilib,io se
desplace hacía donde exista una mayo, cantidad ce moléculas, es decir. hacia los reactantes (<-).
c. La ,eacción es exoté,mica, por lo que una disminución de la 1empera:ura favorecerá el desplazamiento
ha<ia 'os productos(➔}. Mien11as más baja sea la temperatura. mayor se,á el 1endh1iento de la reacción.
d. Una disminu<ió,i de la ISO¡[ pwvocaría un desplazamiento haoa la •ormaóón de los productos(->},
2. La síntesis del amoniaco se produce según la siguiente reacción:
N¡¡gJ + 3 H2¡9¡# 2 NH¡¡gJ + 22 Kcal. Predecir el sentido en que se desplazará el equilibrio sí:
a. se· agrega hidrógeno. b. se aumenta la temperatura del sistema. c. se disminuye la presión,
a. Al agregar hidrógeno, se está aument,,roo la concentración de uno de los reactames, po, o que el
equilibrio se desplazará hacia la fo·mación de produ«os (➔).
b ..41aumenw la temperatura, se emrega energía al sistema, desplazando el equílibrio hacia los
reactantes (,-).
c. Al disminu r la presión del sistema, aJmen.a el volumen, por lo que el e~uilibrio se de5plazará nacia donde
exis:a una mayo, cantidad de moléculas, es oecir, hacia los reactaries (,-),
11
1
Ejercicios
1. ¿Qué se entiende por:
a. vetoc,dacl de reacción qufm,ca?
b. energía de activaetón?
2. Indicar las características de una reacción de
orden O.
3. Clasificar las siguientes reacciones como
unimoleculares o bimoleculares.
a. NzO~ ➔ 2 NOi + 10 2
b. 4 HCI (g) + 0 2 <9) ➔ 2 H¡O (9>+ 2 Cl2 (g)
c. CH3COCH3 (g) ➔ CO (gl + CzH6{g;
4. ¿Qué sucede con la velocidad si:
a. aumenta la concentración de un
reactante?
b. aumenta la temperatura?
c. se muele un reactivo?
11. Escríbir la expresión matemática de la
velocidad de reacción para las siguientes
reacciones qulmicas:
a. 2 Hz + 0 2 ➔ 2 HzO
b. C¡ H4 + 3 0 2 ➔ 2 C0 2 + 2 H2 0
c. 2 Nz + O¡ ➔ 2 N¡O
12. Calcular el orden total de reacción para:
a. V = k [lz) [H¡ )
b. v = k [FeZ.)2 [Hz)
13. Dar un ejemplo cotidiano para cada uno de
los factores que intervienen en la velocidad
de una reacción.
14. Escribir las ecuaciones qulmicas que
representan las siguientes expresiones de
constante de equilibrio.
[Ff
(D12
a. Kc =liillsl'""
S. Explicar el concepto de catalizador.
6. ¿Qué condidones debe cumplir un sistema
para alcanzar el equilibrio?
7. Escribir la expresión de la constante de
equilibrio químico (K,) para:
a. 2 A+ 3 8 ➔ C
b. HCI + Oz ➔ 2 CI¡ + H¡ O
b K _1
co¡i2 [H¡0)2
. e [C¡ H4) [0 ¡)3
c. Kc -
[BaO) [S02)
IBaS03)
1S. Indicar el efecto producido cuando se
disminuye la concentracíón de uno de los
reactantes en una reacción química .
c. NH3 + HCI ➔ NH,CI
8. ¿En qué condiciones una reacción química
deja el equilibrio y se desplaza hacia la
obtención de los productos?
9. ¿Cuándo se produce un equilibrio
homogéneo?
1O. ¿ Qué significa que Kc sea mucho menor a 1?
11
16. Para la reacción de segundo orden
A ➔ 8 + C, indicar cómo afecta en la
velocidad de la reacción un aumento de la
concentración de A al doble.
17. Para la reacción: 2 CO (91 + 02 19¡ ➔ 2 CO¡ ¡9¡
¿qué efecto producirla una disminución de
la presión en el sistema?
18. Determinar la concentración de agua
obtenida en la siguiente reacción química:
19. El glicol (CH¡OHCH¡OH) se obtiene según:
HCHO + CO¡ + 2 H¡ P CH¡OHCH¡OH + calor.
Explicar cuál de las siguientes condiciones
favorecerá la obtención de glicol.
Datos:
K,= 10- 3 M2
(H3P04) = 10- 3 M
a. Áumentar la presión.
b. Aumentar la temperatura.
c. Aumentar la concentración de CO¡.
d. Aumentar la concentración de
[Ca(OH)¡) = 10· 3 M
[Ca3(P04)z] = 10-,; M
CH,OHCH¡OH.
Solucionarlo
1. a. Da cuenta de la rapidez con que desaparecen los ,eactantes o se forman los productos en una reacción
qvfmica. b. Es la cantidad mínima de energía necesaria para que se inicie una reacció11química.
2. la velocidad no depende de la concentración del reactante. Gráficamente se obtiene una reda pa•alela al eje x.
la veloadad de reacción es constante.
3. a . Unimolecular. b. Bimolecular. c. Unimolecular.
4. a. Aumenta. b. Aumenta. c. Aumenta.
S. Es un compuesto que tiene la pankularidad de disminuir la ene,gía de activación, aumentando la velocidad de la
reacción. pero que no inffuye en su equilibrio. Una vez finai 2ado el p,oceso, se recupera integrameme.
6. Debe ser un sistema cerrado y sus propiedades como lamasa y la temperatura no varian con el tiempo.
K _ ICl
b K _ [HCII (Oil
_ INH31(HCII
7. a. e - ~
• e - (Cli]2 (H 0]
e K, - INH,,CII
2
8. Si el valor de la constante es mayo, que 1, el equilibrio se desplaza hacia la obtención de producto,._
9. Se produce cuanck:> todas las sustancias que existen en un sistema se encuentran en la m·~ fase.
1O. Significa que el desplazamiento casi total de la reacción se produc~á hada los reactivos, po.- lo que no se
fo,marán productos.
11. a.1· = fHiJ2 !01], b. v =(C2H4j (0¡]3. c. v =1Ni)2 (O¡I
12. a. 2. b. 3.
13. Concenuación: si se agrega sal al agua antes de que hierva, demora1á más tiempo en hel'lir. Temperatura: los
alimentos se congelan para disminuir la velocidad de descomposición. Estado de diwsión: las papas e~
cuadritos se cocinan más rápido que ente,as. Catalizador: el caIaN2ador de un automóvil.
14. a. A+ 8 -> 2 D + 3 F. b. C¡H4 + 3 O¡ ➔ 2 CD2 + 2 H20. c. BaS03 -+ 8aO + S02.
15. Si en una reacción se disminuye uno de los reactantes. disminuirá la formación de product°"
16. Aumenta cuatro veces.
17. Una disminución de la p¡esión desplaza el equilib<io hacia los reactantes.
18. IH¡O] = 1 x 10"1 M
19.Aumentar la presión, po,que hay menor volumen en los p,oductos. Aumentar la coocentración de C02, porque
habrá más reactantes pa1a reacciona,.
11
Reacciones ácido-base
111 os ácidos y las bases son sustancias utilizadas desde la antigüe-
L:I dad Se han encontrado papiros de la cultura helenística donde
se describe la utihzación de vinagres y zumos de frutas como d,solventes de cienos metales; los egipcios usaban sales, como el carbonato
sódico conocido como natrón. para desecar los cue(J)Os en la momificación.
Siglos más tarde. con el descubrimiento de la técnica de destilación, se
obtuvieron ácodos minerales lo que permitió disolver un mayor número de sustancias: sin embargo, ninguno de estos ejemplos sirvió para
explicar lo que era un ácido y una base. En el siglo XVII, Boyte, basándose en obse~1aciones y trabajos experimentales, concluyó que existe
un grupo de sustancias que poseen propiedades semejantes, a las que
llamó ácidos, y otras con propiedades diferentes a estas, a las que
llamó bases. luego de este planteamiento, y en un intento por explicar las propiedades observadas para las sustancias ácidas y básicas y
poder entender su comportamiento, científicos como Arrhen,us,
Bronsted, lowry y le,•ns formularon diversas teorías.
Todo este conocimiento ha permitido hoy en dla una aplicación adecuada de estas sustancias. Por ejemplo, se puede explicar por qué los
jabones resecan la piel, cómo se debe controlar la acidez en un acuario, cómo debe ser la acidez o basicidad del suelo para los cultivos o
los daños causados por la lluvia ácoda.
11
■ Organización de los contenidos
Acido-base
p¡opiedades áódo-base
del agua
ácido
base
fue,za
teorias
disociación
electrolítira
titulaciones
COll(epto de pH
equd1brio iónko
p¡otónica
IH+j > 1 X 10-7 1 1IWI < 1 X 10-1 J I IH+] - 1x 10-1
esuuctura
elec1Iónka
cons1ante de
disociación
ácidos(!(,)
pH = 7
pH > 7
neutralización
ácidos(~)
indicadores
ácido b.'lse
disoluciones
reguladoras
Frutas dtricas. El zumo de
las frulas cítricas es ácido.
Definición de ácidos y bases
Las disoluciones acuosas de los ácidos:
■ tienen sabor agrio;
■ conducen la corriente eléctrica, es decir, son electrolitos;
■ enrojecen determinados pigmentos vegetales. como la tintura del
tornasol o decoloran el repollo morado;
■ reaccionan con algunos metales como el magnesio y el zinc I,berando hidrógeno gaseoso (H2);
■ reaccionan con las bases formando sustancias de propiedades diferentes, las bases.
las disoluciones acuosas de las bases:
■ tienen sabor amargo y son jabonosas al tacto;
■ conducen la corriente eléctrica, es declf, son efectrolitos;
■ en con!acto con el papel tornasol se 1orna azul;
■ reaccionan con los ácidos formando sustancias de propiedades diferente, las sales.
Teorías ácido-base
Teoria de Arrhenius
En 1887, Svante Arrhenius (1859- 1927) postuló su teorla de la disociaci\ln electrolítica. la cual planteaba que existen sustancias que manifiestan sus propiedades qulmicas y su conductividad eléctrica eo disoluciones acuosas. Por ejemplo: las sales. al disolverse en agua pueden
descomponerse en sus iones, to que les permite ser conductores eléctricos. A estas sustancias se les llama electrolitos.
Teoría de la disociación electrolítica
Acidos
Bases
Sustancias que en disolución acuosa producen iones
hidrógeno, también llamados protones (H') .
Ecuación general:
r:
Sustancias que en disolución acuosa producen iones
hidroxilo (OH¡.
Ecuación generat
Ejemplo: disociación del ~ido clorhídrico.
Ejemplo: disociación del hidróxido de sodio.
h
ta de Bronsted•lowry
1t l'!Oría de Arrhenius presenla algunas complicaciones, entre ellas:
no poder explicar el comportamiento de algunas bases, como el
amoníaco. ni de ciertos ,ones como el ,on bicarbonato.
• llm11a las reacc,ones ácido-base a disoluciones acuosas y omite las
reacciones que se producen en fase gaseosa.
1,ta razón llevó a Johannes Bronsted ( 1879-194 7) y Thomas Lowry
( 1874- 1936} a pOSlular una teorfa más general, la cual podía ser apti-
ílda a todos los ácidos y bases. llamada teoria protónica. Esta postula
<1ue un ácido es toda sustancia capaz de ceder protones y una base es
toda sustancia capaz de captarlos. Por lo que las reacciones entre áci•
dos y bases se pueden considerar como reacciones de transferencia de
protones.
Productos de limpieza. los
produ<t~ de limptttil
lie1'le,r, c.a,ácter básico.
Andos y bases conjugados
1~ 1eoría de Brónsted y Lo,wy establece que los ácidos ceden protones
y las bases captan protones. De acuerdo con esto:
• los ácidos, al ceder el protón, originan una base conjugada, es decir,
una especie capaz de aceptar el protón y voh•er a generar el ác,do
inicial.
• las bases, al aceptar un protón, forman un ácido conjugado, el cual
puede donar el protón, volviendo a originar la base inicial.
Asl, la ecuación general para el par conjugado ácido-base será:
par conjugado
•
1
ácido + base P ácido conjugado + base conjugada
par conjugado
¡
Pares conjugados ácido-base
Ácidos
Eje'llplo: disolución de ácido fluo,hidrico en dgua.
H¡O•
ácido base
_J
Bases
+
r
ácido conjugado base con¡ugada
Ejemplo: disolución del amoniaco en agua.
Olr
ác,do coojugado base conjugada
NHt
+
111
1. Identificar los pares ácido-base conjugados en la disolución del ácido nítrico (HNO¡ ), según la
ecuación iónica:
HNO¡ -+ H• + NOj
Como se observa en la ecuación iónica, el ácido nítrico cede un orotón, por lo tanto, el agua se comportará
como base captándolo. Asi,
H¡O + H' -+ H¡O'
base protón ion hid<onio
Sumando ambas reacci0t1es:
I
H'IO¡
ácido
Par conjugado
+
H¡O
~
base
I
'W¡
base conjugada
LI_ _ _ _
+
Par conjugado
H30'
ácido con;ugado
----'I
Teoría de Lewis
Al no cumplirse ia _teoria de Brónsted-lowry para todos los compuestos, Gilbert Lewis ( 1875- 1946) propuso una nueva teoría basada en la
estructura electrónica. Esta teoria plantea que:
■ un ácido es lodo átomo, molécula o ion capaz de aceptar un par de
elecuones para formar una unión covalente.
■ una base es todo átomo, molécula o ion capaz de ceder un par de
elecuooes para formar una unión covalente.
En el ejemplo, el foxido de
carbono gana un par de
e'ectrones, comportándose
co'llo un ácido de l ewis. Este
se combina con el óxt<!o de
calcio, que cede un pa1de
electrones, actuando como
una base de lewis..
111
De este modo, un W será un ácido de lewis. ya que su estructura per•
mite aceptar un par de electrones, mientras que el amoníaco será una
base de Lew,s, pues en ia capa de valencia del nitrógeno existe un par
de eleetrones sin compartir.
P0t ejemplo:
.. ~e; :o:
.. + cai+:o:
.. ➔ (ca12• [:o:c!:o
.. ··12:0:
. :o:
JOI,
..
• • >;)I • •
Neutra lización
Se llama neutralización a la reaCCtón que se produce entre disoluciones
ácidas y básicas. Todas estas reacciones dan como producto una sal y
dgua.
a ecuac,ón general que representa este tipo de reacción es:
1
[ ac1do + base --+ sal + agua 1
Por ejemplo, la reacción de neutrahzacoón que se produce entre el
~c1do nítrico (HN0 3) y el hidróxido de po1as1O (KOH) es:
( Hf103 + i<oH) --+
.leido
base
Como se puede observar en la reacción. la sal se
forma entre el anión (NOj) del ácido y el catión de
la base (K").
~
¡J; \ liill
•
,
La variación de entalpla {llH) en las reacc,ones de neutralización entre acidos fuer•
tes y bases fuenes, es siempre la misma.
'fiíiililt
~. . l
!"l::::g.
.., ,. C.
.,-;_,
.,..
~
~ -. :;;;:;.....,-
,/
Por c¡emplo:
HCI + NaOH p NaCI + HzO
HN03 + KOH P KN03 + H20
~
"' ~ ~
-
..._ ~
""""""'
·~~ ..~ ...
, ".: .&:7....¿~ijl
,_ ._. ._. rAntiáddos. los anuac,~
contrarres1an la aúdez
.:.Hº = - 13.6 kcal/mol
AHº = - 13,6 kcal/mol
de""ª
~omacat a tram
reacc,0n de neutra11za<1ón.
Ejercicio resuelto
1. Completar la siguiente reacción de neutralización.
Se forma la sal un endo el anión (SDh del ácido con 2 cationes (tia' ) de la base, más 2 moléculas de agua.
Segun la teorfa de Br/lnsted y Low,y, los acidos presentan notables
diferencias en su capacidad de producir protones. y las bases en captarlos. Asf, existen los ácidos y las bases fuertes y débiles.
Ácidos
RCI ,
UN
-.
i -7""' rt
■ Acidos fuertes. Soo aquellos que se disocian completamente en
disolución acuosa. la mayor parte de estos ácrdos son inorgánicos.
Por e¡emplo. el ácido clorhldrico (HCI):
Acido clorhldrico. El ácido
dorhfdnco es un ácido r~•
íuer1e, por lo q1..1e libera
fác,lmen1e su protón.
En el equilibrio, gran parte de la reacción se desplaza hacia la derecha.
ya que el HCf al ser fuerte cede fácilmente su protón. La base conjugada, cr-. es una base débil por 1ener poca tenden,:ia a retener el protón.
■ Acidos débiles. Son aquellos que en disolución acuosa se disocia
solo una pequeña fracción. Por ejemplo. el ácido cianhídrico {HCN):
Ácidos polipróticos
Los ácidos poliprótlCOS son aquellos que pueden ceder más de un protón. Poc eJemplo:
Ácido carbónico
l as "echas sencillas indican
iooi1ac1ón complela, es decir,
un ácido fuer;e y, las dobles.
ionizaciones incompletas. es
de<ir, un ácido débil.
H2C03 ➔
H+ + HC(:)3
H+ +
--coJ-
H3P04 ➔
~o-{ .=t
H2C03;:: 2 H' +
co3-
~OO. p w + _l:l~
_!:!P-Oi' P W + POJ-
1
Fuma de un ácido. En disolución
acuosa, un .leido fue11e se encuenlra
casi totalmente disociado {HCI). En
cambio, un ácido d~bil se encuentra
IM mente disociado (Hf).
11
Ácido fosfórico
H+ + _!:!il'0;j
H3P04 P 3 H+ + POt
Ames dela
ionización
En el
equilibrio
-
Antes de fa
ionización
En el
equilib1io
B ,es
Bases fuertes. Son aquellas que se disocian completamente en disolución acuosa. Por ejemplo, el hidróxido de sodio (NaOH):
NaOH ,sl • HzO OJ-, Na• <•o)+ OH"" (,ql
• Bases débiles. Son aquellas que en disolución acuosa se disocia solo
una pequena fracción. Por ejemplo, el amoolaco {NH3):
Algunos de los ¡abones que
ul1liuimos adiano tienen
carácter básico
Constante de disodación
A la constante de equilibrio de los ácidos y las bases se le conoce como
constante de disociación. Esta se establece ya que las disoluciones áci•
das y básicas se consideran sistemas en equilibrio. La constante de
disociación para las disoluciones ácidas se expresa como K, y las de las
disoluciones básicas, Kb.
Si los valores de Ka y Kb son mayores a t . significa que las disoluciones
presentan un alto grado de disociación. En las disoluciones de ácidos y
bases fuertes, K, y Kb son > 1, por lo que el equilibroo se desplazará
hacia la derecha. En cambio. para ácidos y bases débiles. K, y Kb son
ba1as.
Par,1 la reacción del ácido acético
la constante de ionización está dada por:
K, _ ICH3COO-]eq (H3O•~
(CH3COOHl« 1
y la constante de ion12ac,6n de su base con1ugada por:
CH3COO- w ,l + H¡O (b P CH3COOH <,,u;+ OH ¡,1q¡
Kb = (CH3COOHl"'1 (OW)eq
[CH3(OO1,q
K, y Kb no son aplicables en
ácidos y bases fuenes, ya que
la consta11te tiende a infinito.
m¡
Carácter anfótero del agua
El agva puede actuar tanto como ácido o como base; esto dependerá
del medio en que 5e encuen1re. Se comportará como base al reaccionar con ácidos como el ácido clo1hídrico (HCI) y ácido acético
{CH3COOH): y como ácido, al reaccionar con bases como el amoniaco
{NH3). A los compuestos que se comportan de esta manera se res llama
anfóteros.
Equilibrio i6níco del agua
Formación del ion
hidronio (H 30' ). El protón
del ~cido es aualdo po, el
oxigeno (polo negat1•10) de
la molécula de agua.
El agua en estado puro se autoioniza en una pequeña cantidad, generando iones h,dronio {H 30') e iones hidroxilo (OH"). según•
Siendo la ec1,ación simplificada.
Autoíonización. Reacción
en la ~e existe una
transferencia de protorres
entre mo•éculas de la misma
clase.
De esta ecuación 5e puew estabh!cer la constante de equilibrio para la
ionización del agua·
IH' ] (OH ]
IH20I I
T ('()
La concentración del agua IH2O) se considera constante al comparar la
Kw
15
o
1, 14 X I0"
10
2,92 X 10 IS
20
6,81 X I0" 1S
25
1,00 X 10""
30
1,47 X 10-1'
40
2.92 X l0"14
r
Kw en función de la
temperatura. Se obmva
<r1• el •1alor K.,,= 1,00 X 10·14
se p•oducea los 25 'C de
temperatura.
111
concenLración del agua pura s,n d,socoar con la parie ionizada, quedando:
i<,q IH¡O) = IH') IOH1
A esta expresión 5e le llama constante del producto iónlco del agua
(Kwl . En ella, las concen1raciones de los iones H• y OH" se expresan en
unidades de molaridad (mol/L). A 25
•e el·valor de Kw es 1,0 x 10· 14.
En el agua pura, la concentración de H• y OH" es la m,sma. siendo:
(H·J = 1,0 x 10· 1 y IOH"I = 1,0 x 10" 7 •
Todas las d,solucrones en que se cumpla que tH• I = IOH") son neutras.
lllsoluciones ácidas, básicas y neutras
)1• acuerdo a las concentraciones de [H') y [OH"). las drsoluc,ones pued•n ser ácidas. básicas o neutras.
■ Una disolución ácida será aquella que tenga una mayor concentra-
ción de H" en comparación con OH".
[H'I > IOH'"J
,~1•1 > 1,0 x 10· 1 M
■ Una disolución básica será aquella que tenga una mayor concentración de OH" en comparación con H'
(H+) < (OH")
[H") < 1,0 x 10 1 M
■ Una disolución neu1ra será aquella que presente ,gual concentración
de H' y OH":
(H') = IOH")
[tt•J = [OH"t" 1,0 x 10 7 M
A partir de la relación que se establece entre (H•I y [OHl, se puede
conocer la concentración de cualquier oon y definir qué tipo de disolu·
, 1ón es. Por ejemplo, si se quiere determinar (OH"] para una disolución
cuya concentración de H' es de 2,0 x 10...,, M:
K.,. = [tt•J IOH")
se despeja la incógnita
IOH")aa K.,v
se remplazan los valores
(H']
(OH"] -
1 O 10·'"
• X --4 - 5,0 X 10" 11 ~·I
2,0 X 10
Del valor se concluye que. como IH' J > (OH" ), la disolución es ácida.
Ejercicio resuelto
1. Calcular la [H'Jde una disolución cuya (0Hl = 3,0 x 10· 5. Determinar sí es ácida, básica o neutra.
lli!spej,indo iWJde la expresión K,,. = 111'1(OWJ, queda: (H' 1~ l~~-r Se remplaran los valo,es
1 0 X 10""
[tr i - · - - -5
3,0 x 10"
(K· J = 3,33 x 10· 10 M
Del •Mio, se conduye que, como (H' ) < I0H"I, la disolución es básica.
En 1909, Soren P. SOrensen (1 868-1939) definió el pH de
una disolución como el logaritmo negativo de la concentración de ,ones hidrógeno (H•). s,endo la expresión matemát1Ca:
II
pH = - log
[Hi_]
Asl. para las distintas disoluciones se tiene que:
Re<1eción entre un ácido y
un metal.
Disolución acida:
Disolución neutra:
Disolución básica:
1WJ> 1 x 10·7 M,
IWJ = 1 x 10-7 M,
1WJ < 1 x 1o·7 M,
pH < 7
pH = 7
pH > 7
Analogamente, se define la expresión de pOH como:
[ pOH = - log [oH:5]
Esca la de pH
El rango de la escala de pH va desde O hasta 14 en disolución acuosa.
Se trata de una escala logarítm1Ca de base 1O, variando en una unidad
por cada potencia de 1O. Al obseivar la escala de pH se puede apreciar que al aumentar la concentración de iones hidrógeno, el pH disminuye.
,o·•
1
10'" '
~
IO°l
1o·l
10·11 ,o·" 10·" 10"..
11
©
,o..
10•5
®
io-•
(j)
10"'
pH
,o-s
10..
,o·'~ ,o·" IO"ll !O"ll 10"'
1
,,,o.. ,o·• ,, 10- ,, 10"" 10"; t I,o... 1o•l 10·> "10·'
Aumento de acidez
7
Neutro - - -
Aumento 6e bMiddad
-
"
IH"J
IDlfl
pH. la definición de pH solo se estableció como ooa manera de simplificar el trabajo con números tan pequeños
como eran los valo1es de las concentraá011es de las disoluciones acuosas.
11
jercicios resueltos
1 Calcular el pH de una disolución cuya
[OHl = 1,0 x 10-9 M.
Como la expresión de pH es pH = - log [W),
p,imero se debe calc.ular [W].
2. calcular la concentración de [OHl para una
disoludón cuyo pH es 12.
De la expresión pH = - log (H'J, se calcula IH+J.
IH'I = antilog - pH
IH'I = amilog - 12
IH+I = 1,0 x 10- 12 M,
IH' ) I0H") = 1,0 x I o'"
14
IH+] 1,0 x 109
1,0 x 10 M
entonces
IH'l (OH- 1= 1,0 x 10 .•
IH+I =1.0 x ,o-s M
••
pH = - log IH ')
pH = - log 1,0 X 10-S
pH = S La disolución es ácida.
I0f¡-j _ 1,0 x 10
t,0x 10 12 M
[OHl = 1, Ox 10- 2 M
Indicador ácido-base
Un indicador ácido-base es una sustancia que presenta colores muy
diferentes a los medios ácidos y bás1Cos.
El pH de una disolución se puede medir a través de:
■ \Ln pigment~ v_!!letal, como ~ue contiene el repollo mora·
dO o las tiras de papel tornasol, los cuales, en medio ácido,
tornan Ja dis¡¡l¡¡j'.ión a color rQjo: y, en medio bás,w, a
color azul.
• mediante aparatos llamados pH-metros, basados
en métodos elooroqulmicos, que miden el pH
directamente con gran rapidez y exachtud.
• mediante indicadores que
determinan el pH solo en
forma aproximada, por
ejemplo, el indicador universal o papel pH. En otros
casos, son disoluciones
dllu1das. como la fenolítaleina o el azul de bromotimol.
--
11
11
Disoluciones reguladoras
Las disoluciones reguladoras. también llamadas tampón, tienen la cua
lidad de mantener su pMpráct1G1mente constante. aun cuando se dilu
yan o se agreguen cantidades moderadas de ácidos o bases. Estas disoluciones están formadas por:
■ un ácido débil y una sal que contiene su base conjugada.
Por ejemplo:
CH3COOH
CH3COONa
ácido acético
acetato de sodio
■ una base débil y una sal que contiene su ácido conjugado.
Por ejemplo:
NH,1CI
NH3
amoniaco
cloruro de amonio
I
La sangre El sistema
amortiguador que regula la
1<1ng<e cSlá for~do pc,r
.lado ca,bónico (H 2CO:,) y
c.lrbon¿¡to ácido de sodio
(NaHCO)).
Regulación del pH
Si se tiene una disolución formada por un ácido débil y una sal que
contiene su base conjugada. y a esta se le añade una pe<¡ueña canti•
dad de ácido, la concentración de H3 aumenta. Por ejemplo:
o•
El ácido acético es un ácido débil que se disocia parcialmente:
El acetato de sodio es un electrolito fuerte que se disocia totalmente:
La constante de eqwlibrio ¡wa el ácido será:
(CH3Coo-1(H30•1
Ka =
ICH3COOH]
Si a esta disolución se le agrega un ~cido, como el
ácido cl01hidrico (HG), aumenta la concen11ación d<?
H30 ' , pro•,oc.ndo la disminución de la relación
.CH3COO-]
(CH3COOHJ
El sistema se desplaza a la izqu1e;da, aumentando la
concenuación de ácido acético•; disminuyendo la con·
ceouadón de acetato.
11
Si a esta disol"ción se le agrega una base, como el
hidróxido de sodio (NaOH), disminuye la concentración
ce H3 provocanéo e aumento de la relación
o-,
ICHiCOO I
ICH¡COOHJ
El sistema se desp 1aza a la de1ec~a.
Titulaciones
100 ml
disolución
1,1 titulacíón o valoración ácido-base es un método de an~hsis qurm,co
q,Ie permrte determinar la concentración de una disolución ~cida o
hJstea desconocida, mediante una neutralización controlada.
Pdra realizar el procedimiento experimental. se debe colocar en un
rndtraz Erlenmeyer un volumen determinado de la disolución desconot ,da, es decir, disolución problema. Desde una bureta se de¡a caer gota
a gota la disolución patrón, es decir, la disolución de concentración
¡onocida, hasta llegar al punto de equivalencia. que es el punto donde
,10 queda ácido ni base libre en la muestra.
Para determinar en qué momento se llega al punto de equivalencia,
antes de iniciar la titulación se deben agregar unas gotas de indicador,
que generalmente es fenolftaleína. En el momento en que se aprecia
un cambio de color del indicadOf', se ha llegado al punto final.
ostúnd;¡,
No()H, 1M
50 ml HCI
j
c.oocent,.Jdón
dcsconocid~
Procedimiento de titulación
Et punI0 <Je e<1u,...alenc~ y el
pu,,to linal de una lltulaciOn
.nuoca deben coincidir, ya
que el punto de equivalencia
es un punto teórKo y el
final. e.xpe,1ment.al. Para que
una btuladón se considere
buena, el punto de
(?QUIVillCflOi;I y el fintil <!<.>ben
stf muy próximos.
donde:
Ma = concentración molar de la disolución problema.
v. =volumen de la disolución problema.
M0 = concentración molar de la disolución patrón.
Vb = volumen de la disolución patrón
Titulación de un ácido fuerte con una
base fuerte
,pH
13
11
10
,,Pur11ode
9>
Salto brusco
7
de pH
s>
4~
l
1
-
equi•,alen<ia (P.F.}
n
,,,.,-----
.
PUlilO de
equil•elen<la (P.E.)
7e
4
3 /
__,, 1
50
pH
13
11
10 r, Fed1Jlclna
9·
s
~
tampón
1
¡
25
Titulación de un ácido débil con una
base fuerte
75
Volumen de NaOH añadido {ml)
25 SO 75 100 125 ISO
Volumen NaOH a~adido (ml)
-
11
Ejercicios
1. ¿Qué se entiende por
a. ácido, según Arrhenius?
b. base. según Brónsted-Lowry?
c. base conjugada?
d. neutralización?
2. ¿Qué características poseen las sustancias
básicas?
3. Disociar los siguientes ácidos y bases:
a. HCI ➔ b. KOH ➔
c. HNO3 ➔
4. ¿Qué es una reacción de neutralización? Dar
un ejemplo de donde se puede observar.
a. Determinar si estas disoluciones son
ácidas, neutras o básicas.
b. Ubicarlas en la escala de pH.
8. Indicar los pares conjugados de:
a. H3PO4 + 3 OH" ➔ 3 H2O + PO¡
b. H2O + HCIO4 ➔ H3O' + CIO;¡
9. ¿Cómo se puede determinar la fuerza de un
ácido o de una base?
10. Calcular el pH de las siguientes disoluciones:
a. ácido clorhídrico (HCI) 1 x 10 · 2 M.
b. hidróxido de sodio (NaOH) 0,01 M.
c. ácido bromhídrico (HBr) 2,5 x 1 3 M .
d. ácido nítrico (HNO3) o.os M
e. áodo perclórico (HCI0 , ) 1,34 x 10-3 M.
o·
S. Indicar la sal en las siguientes reacciones de
neutralización.
1
a. HCI + NaOH -, NaCI + H2O
b. H2SO4 + 2 KOH ➔ 2 H2O + K2SO•
c. 2 HNO3 + Ca(OHl2 -, Ca(NO3}i + 2 H2O
6. Clasificar las siguientes disoluciones en
ácidas o básicas:
a. (H' I : 1 X ,o-3 M .
b. [H ' J = 0,01 M.
c. (H'I = 2,5 x 10- 5 M .
d. [H' J = O.OS M .
e. [H' I = 1,34 x 10- 12 M.
7. Se midió el pH de distintas sustancias
obteniéndose los siguientes resultados:
sustancia
pH
l. Jugo gástrico
11. Lavalozas
111. Agua pura
IV. Soda cáustica
V. Agua de lluvia
2
11
11. Calcular.
a. Si la concentración de H' de una
disolución es 2 x 10·• M, ¿cuál es la
concentración de OH"?
b. Una disolución liene una concentración
de iones OH" igual a 3 x 10"" M . ,Cuál
es su concentración de H' ? ¿La
disolución es ácida o básica?
c. El pH de un producto es 13 . ¿Cuál es la
concentración de iones OH"?
d. Si se tiene una disolución amoniacaf cuya
concentración de iones hidroxilo es
0,0025 M. ¿cuál es la concentración
de W ?
12. ¿Por qué los ácidos y las bases en agua
conducen la corriente eléctrica?
10
7
13
s
13. ¿Qué se obtiene si se neu1raliza
perfectamente una disolución de HCI con
01ra de Na OH y se deja evaporar el agua?
14. Completar e indicar los pares conjugados
de:
a. CH3Coo- + H30• ➔
b. NaF + HCI-,
16. Se neutralizan 20 ml de una disolución de
H2S04 de concentración desconocida con
otra disolución O, 1 M de NaOH, ocupándose
40 ml hasta alcanzar el punto de
equivalencia. Calcular la concentración de
disolución ácida.
IS. ¿Qué volumen de una disolución 0.01 .\1 de
NaOH se requieren para neutralizar SO ml
de una disolución:
a. 0,01 M de HCI?
b. 0,005 M de HCI?
Solucionario
1. a. Sustanóa que en d•soludón acuosa p1oduce iones hidrógeno, (H'). b. Sustancia que en disolución acuosa
capta iones hidrógeno. c. Compuesm que proviene de un ácido cuando Ibera un W. d. Reacción que se produce
enlIe disolucione5 ácidas y básicas. dando como producto sal y agua.
2. En general, son jabonosas al 1ac10, cond~cen la cor1iente eléctrica, tiñen de azul el papel indicador universal y
son neutralizadas poi sustancias ácidas.
3 a. HCI -, H. + c1-. b. KOH-, K' + 0W. c. HN0¡-, H.+ N0.3.
4 Es una reacción entre un ácido y una base en la ~ se logra equiparar la fuerza de ambos. obteniéndose un pH
neu1ro. Su principal aplicación ve,ificable son tas reacciones de titulación.
S a. NaCI. b. K¡SO,. c. Ca(NO¡)¡.
6. a. Ácido. b. Ácido. c. Ácido. d. Ácido. e. Base.
7. a. l. Ácida. 11. Básica. 111 Neut1a. IV. Básica. v. Ácida
b. Jugo gástrico agua de llu•1ia agua pura l.lvalozas soda cáustica
o
t•
7
8. a. H¡PO, + 3 Otf" -, H¡O + P04
aci~o
base
edc!o
ti.»t
(OOj1.g,d:1
cor,Jg;ida
b. H¡O + HCIO,a -, H¡◊• + CI04
bas,
~odo
,l<,do
bo1•
<0n¡~jo
<~1>)ada
9. Se puede hacer en forma experimental usando indicadores. o a tra"RS de un pH•metro.
10. a. pH = 2. b. pH = 12. c. pH = 2,6. d. pH = 1,3. e. pH = 2,9.
11. a. IOH 1= 5 x 10-" M. b. [H'I = 3,33x 10- 11 M, es básica. c. (Otri = O, 1 M. d. IOtrl = 4 x 10-12 M.
12. Po1que se disocian en aniones y catione~
13. Sal, cloruro de sodio.
14. a. CH¡C◊O- + H¡O• ➔ CH¡COOH + H¡O
b. H( I + Naf -, NaCI + Hf
""'
.lod,
ª'"'°
(Cf'ljtgado
bost
conjugada
~<100
~ast
~
.kdo
(Otljue}b:ta
<COi111g:100
15. a. 50 ml. b. 25 ml.
16. 0,4 M.
11
Reacciones de
oxidación y reducción
r:I n la vida diaria es común quemar cosas. por ejemplo, se neceL:I sita encender el cáli1ont para poder calentar el agua de la
ducha, para hacer desayuno se debe encender la cocina, para ir al cote910, universidad o trabajo se necesita un medio de transporte como un
automóvil o bus el cual se mueve al quemarse la bencina del motor,
incluso para obtener la energía que se necesita para realizar las diS1in•
tas actividades se deben quemar los nutrientes de los allmentos.
Pero ¿qué es lo que permite que las cosas se quemen? La clave está en
la combustiOn. La mayoría de los fenómenos que ocurren en el entorno necesitan oxigeno. es decir, se oxidan. Sin embargo, las reacciones
de oxidación no se presentan solas. sino que siempre van acompaña•
das de una reducciOn.
Otros fenómenos que ocurren por oxidaciOn y reducción son la oxida•
ción de metales. la respiración de los seres vivos y la fotoslntesis de las
plantas. procesos fundamentales en la Tierra.
■ Organización de los contenidos
óxido-reducción
aplicaciooes
oxidación
reducción
M ➔ M...11 +n e-
M~n +n e- ➔ M
celdas electroquímicas
agente reduaor
agente oxidante
potencial estándar de reducóóo
número de oxidación
método ion electrón
11
pila seca de Leclanché
electrólisis
batería de mercurio
aromulad0< de plomo
celdas de CO<nbustión
corrosión
Las reacciones de óxido-reducción o redox son aquellas en las que existe una transferencia de electrones o un cambio en los números de oxidación de las sustancias que forman parte de la reacción.
Las reacciones redox se pueden producir:
• de f0<ma espontánea, como es el caso de la oxidación de un metal.
• de forma no espontánea, como la galvanización de las joyas.
• lentamente, donde la liberación de energla no se advierte, ya que se
disipa en el ambiente. Por ejemplo. cuando se deja un trozo de
manzana al aire.
• rápidamente, donde se liberan grandes cantidades de calor. Por
ejemplo, en una cO<ílbust1ón.
Concepto de oxidación y reducción
Una reacción de oxidación se produce cuando un átomo o un grupo
de átomos pierde electrones. aumentando sus cargas positivas. Una
reacción de reducción se produce cuando un átomo o grupo de átomos gana electrones. disminuyendo sus cargas positivas. Por ejemplo,
si se analiza una reacción redox como la que se produce entre una
lámina de zinc y una disolución concentrada de sulfato de cobre (11), se
puede determinar que la ecuación iónica involucra dos procesos: uno
en que se pierden electrones. llamado semirreacción de oxidación, y
otro, en que se ganan electrones, llamado semirreacción de reducción.
ReilGOOn M ire una Mmina
de zinc y una disolución de
suHato de cobre.
Zn + Cu~o. ➔ Cu + Zn~<2!
Ecuación iónica: Zn + Cu1• + Y, ➔ Cu + Zn2• +
Ecuación general:
(simplificada)
Y,
Zn + cu 1• ➔ Cu + zn2•
Semlrreacción de oxidadón:
Zn ➔ Zn2 •+ 2e·
Semirreacción de reducción:
Cu 2• + 2 e· ➔ Cu
En esta reacción el átomo de zinc, eléctricamente neu1ro (zinc metálico), ha ced:do 2 electrones para uansfonnarse
en Zn2• . yel cu2• ha aceptado 2 electrones para converti™1 en un átomo de cobre (cobre ~ tálico).
11
Agente reductor y agente oxidante
• Un agente reductor es una sustancia que cede o pierde elearones,
oxid~ndose.
• Un agente oxidante es una sustancia que capta o gana elearones,
reduciéndose.
A,,, en la ecuación del zinc con el sulfato de cobre (11), el agente reducIor sera el z,nc y el agente oxidante. el Cu 2• .
1 n todos los procesos de Oxido-reducaón la transferencia de electro•
11rs ocurre desde un agente reductor a un agente oxidante.
~jercicios resueltos
Para las siguientes ecuaciones qulmicas,
ecuación (1) Fe+ CuS04 ➔ Cu+ FeS04
ecuación (2) Zn + 2 HCI ➔ ZnCl 2 + H2,
escribir:
a. Ecuación iónica.
b. Semirreacciones de oxidación y reducción.
c. Agentes oxidante-y reductor.
Para la ecuación (1)
a. Fe+ Cu 2• +
~f'➔ Cu + Fe ;)O~2
•
Simplificada: Fe + cu2- _, cu + re2•
b. Semirreacción de oxidación: Fe ➔ re1• + 2 •Semineacción ée 1educción: Cu 2' ' + 2 •- ➔ Cu
c. Agente reductor: Fe
Agente oxidante: cu1•
Para la ecuacioo /2)
a. Zn + 2 H' ~
➔ znl> + µí' + H2
Simpfiticada: Zn + 2 W -> zn 1' + H2•
JR1'
b. Semirreacción de oxidación: Zn-, Zn2• + 2 eSemirreacción ée ,educción: 2 H' + 2 e- ➔ H2
c. Agente red11<1oi: Zn
Agente oxidante: H•
11
Número de oxidación. Este
número se escribe sobre el
simbolo del elemento,
anotando p1imero el signo y
luego el número. En cambio.
la caiga del ion se escribe
anotando primero el núnie10
y lu0!90 el sig,10. Po, e¡emplo:
Carga
N° de oxidación
Al 3+
•l
El número o estado de oxidación de un átomo es la carga eléctrica que
tendrta dk ho átomo en un compuesto determinado. si los electronP1
fueran transfer,dos completamente.
Reglas para la asignación de números de oxidación
La IUPAC ha asignado 7 reglas para calcular el número de oxidacion,
estas son:
1° El número de oxidación de todos los elementos en estado libre, es
decir. no combinado, es cero. Por ejemplo, K, CI. Na.
2° El número de oxidación del hidrógeno en todo compuesto es + 1.
excepto en los h1druros metálicos como LiH. NaH o CaH 2, que es - 1
3º El número de oxidacion del oxígeno en todo compuesto es - 2,
excepto en los peróxidos como H2 0 2 , que es - 1.
4° El número de oxidación de un ion monoatóm1co. es decir. formado
por un solo átomo es igual a su carga eléctrica. Por ejemplo, Na•.
donde es + 1 y Mg 2• donde es +2.
5º La suma algebraica de ros números de oxidacrón de todos los átomos en la fórmula química de un compuesto es cero.
6º La suma algebraica de los números de oxidacrón de todos los átomos en fa fórmula de un ion poliatóm,co es igual a la carga del ion.
7º Si en fa fórmula de un compuesto no hay hidrógeno ni oxigeno, se
asigna er número de oxidación negativo al elemento más elecuonegativo.
1. Calcular el número de oxidac.ión del azufre
en el ácido sulfúrico (H2SO4).
El número de oxidación del hidrógeno es + 1 y del
oxígeno, - 2.
Entonces:
+I x - 2
M¡ S O,
(-1) 2 + x + H) <1 • O
X = +6
11
2. Calcular el número de oxidación del
nitrógeno en el ion nitrato (NOj ).
El núme10 de oxidación del oxigeno es - 2.
Emooces:
X -2
N Oj
X + (-2) 3 = - 1
X;
+5
Nllmero de oxidación como referente
t <>~ números de oxidadón permiten re<:onocer rápidamente si una
1t•Jccion es de oxidación o reducción. e identificar las especies que se
nxodan y reducen. Así, una reacción química es redox si hay cambio en
o•I numero de ox,dacoón de algunos elementos que particopan en ella.
lll' acuerdo a la variación del número de oxidación, se concluye que:
• la oxidadón es el proceso en que el número de oxidación aumenta.
■ la reducción es el proceso en que el número de oxidación disminuye.
1 n resumen:
~
Reducción
Acepta electrones.
Disminuye su número de oxidación.
1
Es un agente oxidante.
'---
Zn
+
0oS04
->
fu,.,'-'-v""t..,
../
ZnS04
+
l
Cu
d;.,.,,w.---y
Oxidación
Cede elect1ones.
Aumenta el número de oxidación.
Es un agente reductor.
Ejercicio resuelto
1. Verificar si la siguiente reacción química es redox.
Cu + HN0 3 ➔ Cu(N0 3h + H¡ O + NO¡
P,imero se establecen los números de oxidación:
O
+1- 5- 2
.,..2 +S--2
- 1-2
+4 - 2
Cu ,, HNO¡ ➔ Cu(N03)2 + H10 + NO¡
S119undo. se identifican los átomosque cambian su núme,o de oxidación en el proceso.
Cu => varía de Oa +2; aumenta el núme,o de oxidación. es decir, cede 2 e-, po, lo tanto, se oxida.
li => no varia.
N => varía de +5 a +4; dism·nuye el número de oxidacióol. es decir, capta 1 e-, po¡ lo tanto, se ,educe.
O => no va1fa.
Se puede concluir que al exis!ÍI una oxidación y reducción, el proceso es redox.
Pota~io
Sodio
Calcio
Magnesio
Aluminio
Zinc
Plomo
Coble
'-'ercu1io
Plata
Platino
º'º
Serie reactiva. los metales
se clas,fican según su
,eacti'lidad frente a di•1ersas
sustancias. como el oxigeno y
el agua. La clas,ficación se
realiza mediante la se,ie
reactiva 'acual ordena los
metales en o·det1 decrecieme
de reactividad. Así. el potasio
y sodio son los metales mas
1eactívos y el 010 y el platino,
los menos 1eactivos.
Método ion•electr6n
Pasos para balancear una reacción redox:
1' Se anota el número de oxidac,6n correspondiente a cada uno de los
elementos que intervienen en la reacción.
2' Se identifican las especies que cambian de número de oxidación y
se escnben las semirreacciones de oxidación y de reducción. Oe esta
manera aparecen solo las especies que intervienen en la reacción.
3º En cada semirreacción se a¡usta el número de átomos que intervie•
nen y el número de cargas eléctricas. Para ello, se al\aden molécu•
las de M2◊ por cada oxigeno que falta e iones H• por cada hidróge•
no. las cargas se igualan sumando o restanclo electrones.
4° Se igualan los números de electrones en ambas semir,eacciones
multiplicando cada una de ellas por el número correspondiente, de
modo que el número de electrones que se ceden y que se captan
en la reacción sean los mismos.
s• Se suman ambas semirreacciones formando la reacción general. Los
electrones se ehm1nan y las moléculas de H20 y H• se simplifican.
6' Si la reacción ocurre en medio b~sico, una vez balanceada la ecua·
ción en fOíma iónica, se suman en los dos miembros de la ccualjón
química tantos iones hidroxilo (OH1 como iones hidrógeno (H1
aparezcan, reajustando nuevamente las moléculas de agua.
Poi ejemplo, ,eacción entre el zinc (Zn) y el ácido cl0<hidrico (HCI):
Zn + HCI ➔ ZnCl1 + H¡
o + 1-1
, 2- 1
e
1•
Zn ,,. HCI ➔ ZnCI¡ + H¡
2•
3•
!>emirreacción de oxidación
Zn ➔ znh
4•
Zn ➔ zn 2• + 2 e-
5°
Zn
semirreacción de reducción
H.,.. ~ H2
2 H+ ➔ H¡
2 W + 2 e- ➔ H¡
; zn2+ - ;4-
2 w - ]4· ➔
H¡
2
6° Zn + 2 W ➔ Zn • + H¡
Se remplazan los valo1es en la ecua<ión genetal, quedando:
Zn • 2 HCI ➔ ZnCt¡ - 11¡
Ejercicio resuelto
Balancear la siguiente reacción por el método ion-electrón:
(medio ácido)
o
.. ,
,s -2
,2
,s -2 ♦ 1 -2 ~: ..2
2
1' Cu+ H+ + N03--> Cu + + N03 +Hz() + NO¡
De la ecuación iónica w puede deducir que:
• el agente oxidan1e es NOj. ya que el nitrógeno se reduce de +S{en NOj) a , 4 (en NO¡).
• el agente reductor es el Cu. ya que el cobre se oxida de Oa +2.
2° Semirreacción de oxidación
Semi11eacción de ,educción
Cu. --> Cu 2+
3º En las wm~reacciones se 0~1va un balance entre los átomos queintervienen en la 1eacció11, 1•a que ha;·
un átomo de cobre en ambos lados de la oxidación 'f un átomo de nitrógeno en ambos lados de la
)reducción.
4° Cu-, Cu 1• + 2 eNO¡ + e ➔ N02
Como w obse,va en la semirreacción de oxidación, la suma de las cargas en ambos lados es ce10. En
cambio, en la wmirreacción de red1Kci6n, en el lado ii<1uierdo la surna de las cargas es - 2 y en el lado
deredio, O. Po, esta razón, se debe balancea, las cargas de esta semir,eacción. Entonces. como la reacción
se llel'a a cabo en medio ácido, el balance se hace agregando H' y H¡O:
s• Se iguala el número de electrones en ambas sem,r,eacciones y luego se suman.
Cu ➔ Cu 1+ + 2 e-
Cu
N03 +e- + 2 H' ➔ NO¡ + 11¡0 lx2
➔
Cu 1' +JI{
2N0¡-)-{'+4H- ➔
6°
2 NO¡ + 2 H¡O
2
Cu + 2 NO¡ + 4 H' ➔ Cu • + 2 NO,+ 2 H20
Se ,emplazan los .,alores en la ecuación geneial. quedando:
Cu + 4 HN0 3 ➔ Cu(N0 3)¡ + 2 H¡ O + 2 NO¡
Una celda electroqulmica es un d,spositivo que permite generar energla
eléctrica a panir de energía qulmica, es decir, a través de una reacción
redox.
Una celda electroqulmica está formada por:
-
Puente salino: tubo en U
invertido, que contume una
disolucioo inerte (KCI)
proporcionando un medio
conductor. Los extremos del
tubo se tapan con algodón
para e11itar que se mezclen
las disoluciones.
Voltímetro
Voltfmetro: mide el
potencial electrico en volts.
El voltímetro se conecta a
los electrodos a través de
un alambre por donde
!luyen los electrones.
Cátodo (Cu)
Puente salino
(+)
Ánodo (Zn)
(-)
Semi,rea«ión de oxidación
Zn ➔ zn 2• + 2 . -
Sem11reacción d~ reducción
Cu2• + 2 •- -> Cu
Electrodos: superlicie donde ocurren las semirreaccione~ la oxidación ocurre en el ánodo H y ta reducción en
et cátodo (+).
Pila de Oaniell. La pila de
La pila consta de dos compartimentos. En uno de ellos se introduce
Daniel! mostrada en la
una lámina de zinc en una dlSOlución de sulfato de zinc; y en el otro,
se introduce una lámina de cobre en una disolución de sulfato de
cobre. Los electrodos se unen mediante un alambre de cobre y las disoluciones, mediante el puente salino.
i!us1rac16n es un eiemplo de
celda electroquimKa.
los electrones circulan desde el electrodo de zinc (polo negativo) hasta
el electrodo de Cu (polo posit,vo). La reacción que ocurre provoca que
la lámrna de zinc se disuelva aumentando la concentración de los ,ones
Zn 2• La concentración de Cu2• d,sm,nuye. mientras que la masa del
electrodo aumenla.
P ,tencial estandar de una celda
ttlectroquímica
En toda celda electroquímica existe una
!llíerenoa de potencial dada por la transferencia de electrones de un electrodo a otro.
Esta diferencia de potencial se conoce
como fuerta electromotriz o fem (t) o
potencial de la celda, y se mide a través del
voltlmetro.
Potencial esMndar de reducción a 25 •e
t • (volts)
Semirreacción
- 3,05
cal++ i e- ➔ ca
-2,76
Mg 2' + 2e- ➔ Mg
-2,37
Zn2• ·• 2e- ➔ 2n
--0,76
feh + 2 e- ➔ fe
Pdra obtener el potencial de una celda elec2 H' + 2 e- ➔ M¡
troquímica se deben sumar los potenciales
1-- - estándar de reducción y oxidaoón. Para
Cu2• + 2e-> Cu
ello, se ha convenido una tabla de potenAg• + e- ➔ Ag
ciales estándar de reducción a 25 ºC. 1M y
1 atm de presión en gases. En el caso de los
0i + 4 H' + 4 e- ➔ 2 H¡D
potenciales estándar de oxidación se ,nv,erCI¡ + 2 e- ➔ 2 citen las reacciones de reducción y cambia el
signo de r!'. Por ejemplo, el potencial estánF¡ + 2 e ➔ 2f
dar p~a la pila de Danietl, es:
oxidación:
reducciónecuación general:
zn -, zni. + -¡ACu2• + ')d- --> Cu
eº= 0.76 v
eº= 0.34 V
--0,44
0,00
-o.so
+ l,23
+ 1,36
-2,87
Representación de una pila
reacción
Zn + Cu2' ➔ Zn 2' + Cu
de oxidación de reducción
Zn / Zn2 • 11 Cu2 ' 1 Cu
Conclusión: la reacción ocurre esponláneamente en el sentido descri10, ya que su 1.l it' es positivo.
Ejercicio resuelto
:=====================----
1. Calcular el potencial estándar de la siguiente celda galvánica: Mg / Mg 2• // Ir+ / H2/ PI.
Se escriben las semirreacciones coirespond·enies y de acuerdo a la tabla de potenoales se calcula el
potencial de la pila. En el caso de la semirreacción de oxidación, se in'liene el signo del potencial.
Mg ➔ Mg1• + ]lf
Semifteacoón de reducción: 2 H' + ¡f ➔ Hz
Mg + 2H' ➔ l-lig1• + H2
Semirreacción de o,idae:6n:
\
t•= 2,371'
tº= 0,OOv
/lJ';°= 2,37v
Corclusón: la ieacción ocune espontáneameme en el sentido desc1ito, ya que su M' es positivo.
uímicas
Tapa met~lica
Cátodo
Pila seca de Ledanché
El ánodo es!A formado por un contenedor de zinc en contacto con
dióxido de manganeso y un ele<trolito disuelto en agua que forma una
pasta húmeda, esta contiene cloruro de amonio y cloruro de zinc
Insertado en la past.i se encuentra el cátodo que es un electrodo inerte
de grafito (carbono).
Las reacciones que se producen son:
oxidación:
Zn
-,
zn2' + ¡Areducción: 2 MnO2 + 2 NH.l + ~ - ➔ Mn2o3 + H20 + 2 NH3
de Zn
Las pilas de LeclancM o también llamadas pilas comunes. son utiliza.
das en juguetes, radios y linternas. Tienen un volta¡e de 1,5 v.
Parte intenor de una pila
se<a de led anche.
En las pilas alcalinas el cloruro de amonio, que genera un gas, se rem-
Pasta húmeda
plaza por hidróxido de potasio, lo que le d.i un voha¡e más constante
y una mayor duración que las pilas comunes.
Batería de mercurio
Se encuentra contenida en un cilindro de acero inoxidable. El ánodo está
compuesto de zinc amalgamado con mercurio. en contacto con un electrol,to básico el cual contiene hidróxido de zinc y óxido de mercurio (11).
C;lindro de acero
Aislante
Las reacciones que se producen son:
oxidación: Zn(Hg) + ~Fi- -, ZnO + l:HÓ + -¡4reducción: HgO + ~6 + ;,,€- -, Hg + ?,0Fi-
~--:-:s====----
2n(Hg) + HgO ➔ ZnO + Hg
Parte interior de urlol batería de mercurio.
11
Las baterías de mercurio
se utilizan en medicina
de Zn)
1>ara los marc:apasos, en
equipos de audición o
en relo¡es~ Tienen un
volta¡e de 1,3S v proporcionando un volta¡e más
constante que la pila
elea,oFtica que
común, s,n embargo,
contiene KOH,
pasia de Zn(OMJ¡ y resulta de mayor costo.
HgO.
Anodo
(recipiente
Acumulador de plomo
Comúnmente se conoce como batería de plomo. Está formada por 6
celdas unidas en serie. Cada una de las celdas se íorma por un ánodo
de plomo y un cátodo de dióxido de plomo (que se encuentra compac•
to en una placa metálica) inmersos en una disolución acuosa de ácido
sulfúrico, usado como electrolito.
Parte interior de un
acumulador de plomo
Tapa que so saca para
agrega .. ag.i.a y.iodo sulfúrico.
Oisolu<ién
de H1SO,
las reacciones que se producen son:
oxidación:
Pb + so ~- ➔ PbSO., + ~ reducción: Pb0 2 + so~ + 4 w + ~ - -, Pbso. + 2 H 20
Pb + Pb02 + 4 H. + 2 so!· ➔ 2 Pbso. + 2 H20
Cada celda tiene un voltaje aproximado de 2 v, por lo que la serie tendrá un volta¡e de 12 v.
los acumuladores de plomo se utilizan en los automóviles. Un acumulador pue<le dar grandes cantidades de corriente en un corto período.
Son recargables.
CeldaJ de combustión
Una celda de combustión hidrógeno-oxígeno
está formada por un ánodo de carbón poroso y
níquel, un cátodo de carbón poroso, níquel, )'
óxido de níquel, y como electrolito una disolu•
ción de hidróxido de potasio. l os gases de hidró•
geno y oxígeno burbujean desde los compartirn entos del ánodo y el cátodo, donde se producen las·<eacciones.
Las reacciones son:
ox,dación:
2 H2 + ~j'.j"- -> 4-1-tíÓ + ~ reducción: 02 + ~~ + ~ - ➔ 9,-€)f'.Í·
2 H2 + 0 2 ➔ 2 H20
Por ahora, las celdas de combustión solo se utilr,an en los cohetes espaciales, sin embargo.
<;¡>mo el producto de la reacción es agua, resul1a\una muy buena opción de proteccrón del
medio ambiente.
Pb (placas nega:ivas)
PbO, (plac~ posi.r,as)
Celda de combustión hidrógeno-oxigeno
Anodo
E«l'Odo - . - - l t ce cart:ón
Cá:odo
1>1..--:r-Elcmooo
de carbón
pcwoso con
l>OfOSO<Oll
'li
Ni y NO
l
Redu(tión
Corrosión
Es el deterioro de los metales por procesos electroquímicos.
Uno de tos e¡emplOs mas comunes de corrosión es la ox,daci6n del
hierro. Cuando la superíicie de este metal entra en contacto con la
humedad atmosférica, el metal se humedece. el dióxido de carbono
presente en el aire se disuelve en el agua que cubre al metal, forman
do el i!icido carbónico (H2C0 3), el que proporciona el medio i!icido
que necesita la reacción. Este proceso se conoce como herrumbre
(Fe 20 3 x XH20, la X se usa para indicar que la cantidad de agua aso•
oada al óxido de hierro es variable;.
Las reacciones involucradas en el proceso son:
Oxidación de un ,,,e,al
oxidac16n:
Fe (5)
➔ Fe2' (aq) + 2 e lx2
reducción: 0 2 (g} + 4 H•<"ll + 4 e· -> 2 H20ru
producto de la humedad
atrnosíénca.
➔ 2 Fe2·• <,<,! +,A'<?
µ ·➔
2 H2O,,,
oxidacoón:
2 Fe (ll
reduCCtón: 0 2 (g) + 4 H+ (aqi +
ecuación
general: 2 Fe <s) + 0 2 <g> + 4 H" !aQJ ➔ 2 Fe2 • (J<I) + 2 H20 (1)
~r• : oxidación + reducción
l
Formación de la herrumbre
&0 :
&0 :
0,44v + 1,23v
1,67 V
Los iones Fe 2• formados en el ánodo soo luego oxidados por el oxígeno, IO que forma la herrumbre
2
4 Fe •· + 02 + (4 + 2X) H20 ➔ 2 Fe20 3 x XH20 + 8 H"
Aire
O¡
f
Heirumb1e
Hiet·o
L
11
Electrólisis
La electrólísis es el proceso en el cual se utiliza energía eléctrica (comente continua) para
provocar una reacción química. por lo tanto es
un proceso contrario al de una pila. Este proceso se lleva a cabo en una celda electrolítica
formada por dos electrodos sumergidos en un
electroli to, a través de los cuales circula la
corriente eléc1rica producida por una batería o
fuente de corriente continua.
Un ejemplo es la electrólisis del agua, la cual se
realiza según:
Aparato para realizar la
[j .
electrólisls .
-
Ánodo
(-}
Cátodo
(+)
Diso!uoón de
- -~ H¡S04 di'uido.
Oxidación
Reduccioo
Las reacciones involucradas en este proceso son:
~dación:
reducción:
ecuac,ón general:
La electrólisises una reacción
que solo se produce por la
p,esencia de una ba1e1ía. po,
lo tanto, no es espontánea.
11
Ejercicios
1. Explicar los siguientes conceptos:
a. Reacción de oxidación.
b. Reacción de reduwón.
c. Agente oxidante.
d. Agente reductor.
e. Número de oxidación.
f. Herrumbre.
2. Obtener de las siguientes reacciones las
semirreacciones de oxidación y reducción.
a. Fe2• + MnO¡ -, Fe3• + Mn2•
b. Zn + CuS04 -, Cu +
c. Cu+ HN03 ➔ Cu(N0 )}2 + H20 + N02
znso.
3. Indicar sí las especies en color rojo son
agentes oxidantes o reductores.
a. Mg ➔ Mg• 2 + 2 e·
b. Au•3 + 3 e· ➔ Au
c. oo· + 2 e + H20 - >cr + 2 ow
4. Determinar el estado de oxidación para las
especies que se encuentran en color rojo
dentro del compuesto.
a. K2S03
b. Na3l'309
c. NO•
d. Ca2V04
e. H3l'04
f. 'lzOa
g. NazSO,.
h. W2Cli
5. Nombrar los componentes básicos de una
celda electroqulmica.
11
6. Responder.
a. ¿Qué utilidad tiene el puente salino?
b. ¿Qué ocurre en los electrodos?
c. ¿Qué indica ef potencial de una celda?
d. ¿Qué ocurre en el proceso de corrosión?
e. ¿Qué diterenc,a a una electrólisis de una
celda electroquím,ca?
7. Identificar cuál de las siguientes reacciones
son redox.
a. MgO + H20 ➔ Mg(OHh
b. Zn + HCI ➔ ZnCl2 + H2
c. Mn02 + HCI ➔ MnCl2 + H20 + Cl2
8. Clasificar las siguientes semireacciones como
oxidación y reducción.
a. 2 c1·-, Cl2
b. HzO ➔ 0 2
c. Hz02 ➔ Hz
d, Mn0 4 -, Mn0 2
e. H2 ➔ H20
f. Cr20 2 -, Cr20 ~
g. KNOz ➔ NO
9. Balancear las siguienes ecuaciones según
método ion-electrón.
Ecuación
a. s • + NOj -, S + NO
b. Cu + N03-, Cu2• + NOz
c. HzOz + 1· + H. -> HzO + 12
d. Cl2 ➔ CI + CIO"
e. so~-+ MnO;¡ ➔ Mno2+ so~f. BrOj + Mn2• ➔ Or2 + MnO;¡
2
Medio
(úido)
(acodo)
(ácido)
(básico)
(básico>
(básico)
10. Oetermínar sí las siguientes reacciones
ocurren espontáneamente.
a. 2 K + Mn-2 -> Mn + 2 K+
•
+
b. Mg Ul + 2 Ag (><> -+ Mg
+2
(a<) + 2 Ag <sl
Datos:
K•+e- ➔ K
M n• 2 + 2 e- ➔ Mn
tº = - 2.925 V
cº=-1 180v
Mg•2 + 2 e- ➔ Mg
e•= - 2.383 V
Ag• +e- -> Ag
e•= +0,7991 V
11. ¿Cuáles de las slguíentes ecuaciones se
deben realizar para obtener una pila con un
potencial de + 3.580 v?
l. u•+ e- ➔ IJO
11, ca• 2 + 2 e- ➔ CaO
111. 12 + 2 e- ➔ 2 r
IV, Cl2 + 2 e--> 2 cI-
t• = - 3,045 V
tº = - 2.868 V
t• = +0.535 V
e•= +1.359 v
Solucionario
1 a P,oceso en el cuat un átomo pierde electrones, aumentando sus ca,gas posi1ivas. b. Proceso en el cual un
álomo gana electrones, aumentando sus cargas negativas. c. Especie que capta elee1rones reduoéndose,
d. Especie que libe,a elecuones oxidándose. e. Carga elécuica que tiene un átomo en un compues10
determinado. f. Oxidación del hierro produclo de la humedad a1moslérica.
2 a Sem:rreacción de oxidación: i:th -+ Fe¡, + e-. Semirieacción de reducción: MnO, + Se- -+ Mn1'.
b. Se~iueacción de oxidación: Zn-+ Zn' 2 + 2 e-. Semirreacción de reducción: cu• 1 + 2 e- ➔ Cu.
c. Semirieac<ión de oxidación: Cu-+ Cu ' 2 + 2 e-. Semirieacción de redu«ión: NO:¡ + e- -+ IW¡.
3. a. Agente reduct01. b. Age<He oxidante. e.Agente oxidante.
4 a. .. 4. b. +S. c. +3. d. ,4. e. +S. l. +4. g. +6. h. +3.
5. Puente salillo, ,,oltimeuo, electrodos.
6 a. P1opo1ciona un medio conduct0<, po, medio de una disolución inene en su interiO<. b. Superficie en que
ornrren las semiueaccion~ de oxidación y 1educcióel. c. Indica el voltaje o la diferenoa de potencial de una pila.
d. Ocuire w,..dete<io10 de los metales por p,ocesos electroquímicos. e. Se aplica ene19ia elé<t1ica para l091a1una
reacción química; en cambio, en una celda elect,oquhnica a tra•,és de una ,eacción química se gene,a ene1gia
elécuica.
7. b. y c.
8 a, Oxidación. b. Oxidaóón. c. Reducción. d. Redue<ión. e, Oxidación, f. Oxidación. g. Reducción.
9 a. 3 Si + 2 NOj + 8 H- -> 3 $ + 2 NO + H20. b. Cu + 2 NOj + 4 H+ -> Cui + 2 NO¡ 2 H20.
c. H202 + 2 ,- + 2 H- ➔ 2 H¡O + I¡, d. 2 CI¡ + 4 Ofr ➔ 2 cI- + 2 cI0- + 2 H¡O,
e. 3
+ 2 MnO:; - HiO _, 2 MnO¡ + 3
2 Off'.
2
f. 2 BIO¡ + 2 Mn • + 4 DI, ➔ Br¡ + 2 Mn04 + 2 OIC
10. a.+ 1. 745 v, ocurre espontáneamente. b. +3. 182 1 v, ocuire espontáneamente.
11. Con lasreacciones I y 111, el potencial final es de +3 580 v. las otras reacciones tienen potencial igual a:
\ reacciones I y 11, se ob1iene un potencial final de +0. 177 v; reacóones 111 y IV, gene,a un potencial final
de + 0.824 v: 1eacciones II y IV. el potencial es ~4.225 v; reacciones II y 111, se tiene un potencial de +J.041 ,,.
¿
soj-
sol-+
11
Fenómenos nucleares
l":I n Chile se registran las técnic::as más antiguas de momifi<:ación
L:I arti fioal. las que fueron practicadas por el pueblo de
Chinchorro. como parte de un complejo culto a los anceslfos. Las
momias de este pueblo datan entre los años 4000 y 2800 a. C. Pero
¿cómo se pueden obtener las fechas de elaboración de técnicas tan
antiguas?
Esto se debe al estudio y expenmentación en un área que ha adquiriclo gran importancia estos últimos siglos en el mundo: los elementos
radiactivos y las reacciones nucleares. Si bien una de sus aplicaciones
fueron las des1ructivas bombas atómicas, este 1ipo de energía ha
ampliado su campo de posibilidades. las cuales serán muy útiles para
el fuluro.
Moy en dla, las reacciones nucleares, en las que in1ervienen elementos
radiactivos, son de gran utilidad pues de ellas se obtienen canlidades
enormes de energía, la cual es canalizada por las centrales nucleares
para obtener energía eléctrica. También se aplica en mediona, agricultura y en la industria; en la datación arqueológica se utiliza para determinar la edad de diversos ob¡etos, momias y óleos, entre otros.
1m
■ Orga6ización de los contenidos
_,,
Fenómenos nucleares
radiactividad
inducida
radiactividad
natural
reacciones
nucleares
protones
neutrones
emisiones
radiactivas
ecuaciones
fuerza
nuclea,
111Jdeares
estabilidad
nuclear
vida
-media
1a,queolog!a
!
efectos de la
radiación
reactor
cenllal
nuclear
medicina
industria
D
agri<IJltura
armas nucleares
Emisiones radiactivas
La química nuclear se encarga de estudiar las reacciones que ocurren
en el núcleo del átomo. Para que una reacción nuclear se produzca
deben participar los protones y neutrones.
Familia Curie. Marie
Sklodowska (m~s conoc•dD
como Marie Curie) ju1\t◊ d
su esposo Pierre Co,ie
recib eron el Nobel <k>
FiStca por dcscubnr la
rad@Ctividad. 1uego, Marie
recibe el Nobel de Química
por arslar el radro y el
polon10. Irene ( urie (h ja de
ambo$), y su mando frederoc
Joliot, ,ecoben el Nobel de
Ouinllca por su 1rat><1¡o en la
sintesis de nucNos elementos
Reacciones nucleares versus reacciones químicas
Características ele las reacc,ones nucleares:
■ Participan protones. neutrones y otras panículas elementales.
■ Los isótopos se 1nterconvierten entre sí.
■ Liberan o absorben grandes cantidades de energía.
■ Las velocidades de reacoon. en general, no son afectadas por cambios de temperatura, presión o por los catalizadores.
Caractertsticas de las ,eacciones químicas:
■ Participan solo electrones en la ruptura y formación de enlaces.
■ Los átomos s.e ordenan por la ruptura y formación de enlaces.
■ Liberan o absorben peque~as can lldades de energía.
■ Las velocidades de reacción son afectadas por cambios de tempera•
tura, presión o por los catahzadores.
rad1,cKt1vos.
Isótopos naturales
Abundancia
Nombre del
en la
núcleo
naturaleza
(%)
Hidrógeno•!
99,985
Hidrógeno-2
0,015
Hidrógeno-3
0,00013
Carbono-12
98,89
Carbono-13
1, 10
Carbono-14
trazas
Nitrógeno·14
99,63
Nitrógeno-15
0,37
Oxigeno- 16
99.759
Oxígeno-17
0,037
Oxígeno-IS
0,204
11
Notación nuclear
Para representar los elementos q ue partici pan en una reacción
nuclear se debe escnbir el isótopo que está cambiando o produciéndose. Los isótopos son átomos con el mismo número atómico pero
di fe rente núme,o de masa. Asf, se anota et número másico (A) como
superíndice y el número atómico (2) como subíndice. según la expre·
s1ón general:
r ~E
Por ejemplo, los isótopos del neón
se pueden escribir como:
o
Neón-20
Ne-20
Neón-2 1
Ne-21
Neón-22
Ne-22
Cuando se indica un isótopo con su número atómico y másico. se le
llama núclido.
Radiactividad
Es la emisión de partículas y/o radiaciones electromagnéticas que se generan
e~pontáneamente en los núcleos inesta·
bles de un elemento radiactivo. Estos
núcleos son llamados isótopos radiactivos. la imagen de la derecha muestra el
montaje experimental para descomponer la radiación emitida por un radioisótopo.
t., desintegración de estos elementos produce tres tipos de emisiones
diferen tes: alfa, beta y gamma.
Emisiones alfa (0t)
Emisiones beta (P)
Flujos de panículas coo cargas(+) formadas Flujos de partículas con caigas
por dos protones y dos neuuones. Su masa es (-). SU masa es de 0.0005 u y
de 4 u y ~na carga igual a +2. Son idénticas a una carga de - 1. Son idénticas
un nódeclde helio, por lo que su símbolo es: a los electrones, por lo que su
~He. Poseen un poder de penetración
s'rnbo!o es: ~e. Poseen un
bajo, esto se deb.? a que su masa y volumen poder de penetración
son altos, lo que hacen que viajen a baja
medio, ya que viajan a una
velocidad. Tienen gran poder ionizante: si veloodad cercana a la de la
las partículas chocan con los electrones
luz, y un poder ionizante
pe1iléricos de un átomo, estos pueden ser
bajo (100 veces menor a las
partículas a ).
anancados por ella~ JllOVocando que el
á:omo se ionice.
Emisíones gamma (y)
t-Jo poseen masa ni p1esentan
carga eléctrica, por lo que no se
ven afectados por un campo
magnético. Poseen un
contenido energético muy
alto, lo que les permite
auavesar la mateña
fácilmente. Sin embargo, su
poder ionizante es muy
bajo.
Capacidad de penetración de las emisiones radiactivas
Bloque de
concreto
Papel
Panículas CJt
.
Panlculas
~
1/
Rayos ·1
y
TI
Radiación. Es la emisión y
transmisión de en<!rgla a
través del espacio en lO1ma
de ondas.
ID
fl
Reacciones
ecuationes nucleares
Reacciones nucleares
Las reacciones nucleares se producen por un núcleo inestable. llamado
nudeo padre, el cual emite espontáneamente radiaciones para trans,
formarse en un núcleo más estable, llamado nucleo hijo. El deca,m1en,
to radiactivo se reptesenta mediante la ecuación general:
~X
Uranio: elemento
núcleo núcleo
radiactivo formado
padre
hijo
radiactivo, La mayor pa1te
do los isótopos <v)'<> Z l!: 83
son radiactivos d~ manera
natwal. esto se debe a que
la fuerza de repulsión entre
proto/16 tiende a superar la
fuerza Que rnantrene unido
<111,údeo
~Y + emisión radiactiva 1
->
El núcleo padre se estabiliza emit~ndo partículas a. [l" y ri•.
Desintegración o:
■ Núcleos de gran masa (Z l!: 83). En este caso, el núcleo padre alcanza la estabilidad emitiendo partlculas alfa c;He). transformándose en
un núcleo hijo de menor masa. con un Z menor en dos unidades y
un A menor en cuatro unidades. La ecuación nuclear general de
desintegra<:ión es:
➔
+
' He
'
Desintegración [l
■ Núc.leos con exceso de neutrones. Cuando un núcleo 11ene un exceso de neutrones se estabiliza aumentando la cantidad de protones.
Para ello. sustituye neutrones por protones emmendo radiación beta
negativa (~1e). Según esto, el Z del núcleo hijo es una unidad mayor
que el del padre y A no cambia.
Partlwlas elementales
Partícula
Símbolo
Protón
:r :H
Neutró,,
Electrón
Positrón
Partícula ,x
m
'n
~
ºe !.fl
,,c e :~
o
-1
•1➔e •o:
2
l
➔
+
■ Núcleos con exceso de protones. Cuando un núcleo tiene un exceso
de protones. se estabiliza aumentando los neuuones. Esto lo logra
emitiendo positrones (_~1e), lo que corresponde a un haz de radiación beta positiva. En la desintegración de 13'. el Z del núcleo hijo es
menor en una unidad, pero A no varia. El proceso se puede expre•
sar:
➔
+
Al escribir una reacción nuclear se debe verificar si está balanceada.
pJra ello se debe cumplir que:
La masa debe ser la misma al inicio y término de la desintegración,
por lo que el número 101al de pro1ones y neu1rones en los reactan•
les y productos debe ser igual.
2 Para, conservar el número atómico (Z), el número 101al de cargas
nucleares en los produetos y reac1an1es debe ser el mismo.
l'or e¡emplo, para escribir la ecuación de desintegración nuclear del
lono-234 emisor de partículas 11- se debe:
Primero, escribir la ecuación que expresa la emisión de la partícula beta
ne9a1wa, quedando como ,ncógnita el núcleo hijo (Y).
Luego. ca\(ular el valor de Z y A del núcleo h,jo: Z ; 90 + 1 ; 91
z = 9 1, e( el elemento paladio. A no varia.
f inalmente, expresar la ecuaoón de desintegraoón:
2!';Pa
+
~e
+
energía
Ejercicio resuelto
1. Escribir la ecuación de desintegración nuclear para el pota.sio-40, emisor de positrones.
la ecuación <Iue exp,esa la emisión de un posilrón pa@ el potasio-40 es:
.~e
+
energía
+
energía
Se calcula el vaio, de Zy A:
donde, 2
=19- 1 =18; el elemen10 con Z; 18 es el argón.
Siendo en1onces la expresión linal:
\
-+
•º Ar
"
+
.~ e
11
Estabi1Klíd nuclear fuerza nuclear
Un nÚ<leo de
aproximadamente 30 p- y
30 !n seria 9 billones de
veces más denso que el
elemento más denso que se
conoce. el osmio.
Os
Estabilidad nuclear
La estabilidad de un núcleo dependerá de la dilerencia que existe entre
las fuerzas de repulsión y las fuerzas de atracción de corto alcance
entre las partículas que lo conf0<man. Así. si las fuerzas de repuls,oo
son mayores a las de atracción, el núcleo será inestable, por lo que se
desintegrará y em111rá partículas; si las fuerzas de repulsión son menores que las de atracción, el núcleo será estable.
Núcleo
Lo que determina la estabilidad nuclear es la relación que se establece
entre los neutrones y protones (n/p). Así:
■ Para átomos estables, es decir, con un Z bajo, la relación n/p es ce,,
cana a t.
■ Para átomos inestables, es decir, con un Z alto, la relación n/p tiende a ser mayor a 1. Esto se debe a que el núcleo. para poder esta•
bilizarse, necesita un mayor número de neutrones, asf contrarresta•
rá las fuertes repulsiones entre prot011es.
Reglas para predecir la estabilidad
nuclear
t . Existen los llamados numeros mágicos. que
corresponden a los números de protones o
neutrones que se encuentran en el núcleo
y que los hace ser más estables. Estos s011:
2, 8, 20, 50. 82 ó 126.
rones
I
100
2. Generalmente serán más
Franja de : /•
estii-iilida/ . '
núcleos que contengan números pares de
protones y neutrones.
;ir
E-
.r
Neu1rones I protones = 1
40
11
60
80
Número de protones
3. Todos los isót0pos de los elementos que
posean número atómico (Z) mayor a 83
son radiactivos. Incluyendo los isótopos
del tecnesio (Z = 43) y prometio (Z ; 61 ).
El grafico muestra la relación entre los neutrones y protones. LOS núcleos estables se ubican
e<l una zona llamada franja de estabilidad,
representada por los puntos. La línea recta
indica cuando la relación n/p es igual a 1.
Fuerza nuclear
Como se sabe, en el interior del núcleo existe
una gran cantidad de partículas de igual carga
eléctrica, muy próximas entre si, por lo que
debe existir una gran repulsión entre ellas. Sin
embargo, ¡,demás de esta repulsión, existen
atracciones intenS<lS de corto alcance capaces
de vencer la repulsión entre protones, entre
neutrones y entre protones y neutrones, y
mantener unido el núcleo, esta fuerza es lla•
mada interacción nuclear fuerte y existe solo
en el núcleo atómico.
Energía de unión nuclear
Es la energía necesaria para romper un núcleo
en sus protones y neulrones: representa, además, la transformación de masa a energía
que ocu~e durante una reacción nuclear.
Se debe tener en cuenta que la masa de un
núcleo es siempre menor a la suma de las
masas de los protones y neutrones que hay
en su interior. A esta diferencia de masa que
se provoca, se conoce como defecto d·e masa.
La masa que falta se explica según la teoría de la relatividad, la cual
indica que la pérdida de masa se manifiesta como la energla liberada
en forma de calor al entorno, llamada energía nuclear. Siendo una
reacoón exotérmica.
La relación de equivalencia entre masa y energía que permite calcular
la cantidad de energía liberada. se expresa según:
1 AE = (Am)c2
Alb<rt Eínstein (1879•19SS).
La teoría de la relativ-dad
fue prop...esta por Alben
E1)Stein. Al propoc1er es1<1
teoría, indicó la necesid.ld
dt> vanfícarla
experimentalmente; sm
embargo. no pensó que tal
vez la pn1eba más dramática
seria el cálculo de la cne,gia
liberada por una bomba
donde:
~ = energla de los productos - energía de los reactantes.
Arrt = masa de los productos - masa de los reactanles.
c = velocidad de la luz, que es igual a 3,00 x 108 mis.
.ttómica.
11
11 Radiactividad natural
Serie radiactiva
Los núcleos radiactivos. es declf, los núcleos inestables que se encuentran fuera de la franja de estabilidad, sufren desintegraciones en etapas sucesivas. A es1e conjunto de etapas se le llama serie de deslnte•
gración radiactiva, que son secuencias de reacciones nucleares que culminan en la formación de un isótopo estable.
Serie de desintegración del uranio-238
La serie de decaimiento radiactivo del uranio-238 es:
238
234
!
230
226
V
:; 222
e
e 218
e
'"
z 214
210
206
81 82 83 84 SS 86 87 88 89 90 91 92
Nt.imero atómico (Z)
En esta serie, el núcleo padre es el U-238, el cual decae a través de 14
etapas hasta formar el núcleo hijo, Pb-206. Como se puede observar
en el grMico, las flechas de color azul indican desintegración por emisión de partículas o:, y las flechas de color rojo. desintegración por
emisión de rayos p-. Las ecuaciones involucradas en el proceso de,
decaimiento del U·238 son:
1:~u
➔
,,
➔
1;u + ~e
➔
"'Th + ' He
"'Th
➔
"'Ra
"
"
Z:Ra ➔
.u.1Rn
"
11
~~Th + ;He
"' Pa + 'e
.,
~l4Pa
"
'"u
;u.,Th ➔
_,
\:Po
1
,.,
.. .. '
1
'He
'
:Rn + ~He
11ap0 + 'He
..
'
➔
.,
" 'Pb + 'He
..
'
,,,.Pb
., ➔ n.•9¡ + -~e
2111:: 9¡ _, ll ◄ pO +
..~e
"
••
.,
➔
llCPb + 4 He
.,8¡
➔
m•po +
'''Po
➔
H4p0
'
'
.,"ºPb ... neo¡
•• + ..•e
1
210
,.
..
..•e
"' + ~He
l(~Pb
J
Cinética de desintegración radiactiva
,,.
Vida media (t11v
Este concepto se utiliza para referirse a la velocidad con que ocurren
las desintegraciones nucleares y se define como el tiempo que se necesita para que la concentración de un reactivo disminuya a la mitad de
~u concentración inicial.
Por e¡emplo. s1 se dejará una muestra de 226 g de radio-226 en una
mesa. luego de 1.600 años se encontrarán 113 g: y, s1incluso se deja•
ran pasar otros 1.600 anos. se encontrarán 56. 5 g de la muestra original. S1 se g.rafican los datos de este ejemplo, después de 5 vidas medias
se ootiene un gráfico como el siguiente:
o
¡
r
11
t.¡
sr
Oesinteg<aúOn ra<liactiva
en 'unción del tiempo
llO
200
,.J
oL~~-~~_::::::::;::::=:;:::=........c
9.oo:
1000
2000
3.000
4.roJ 5000
Tttfflpo (años)
6.0-.0
l.COO
8.0:0
Al analizar el decaimiento radiactivo del Ra·226, se establece que el
tiempo oe vida media de este es de 1.600 ai\os. ya que la muestra
siempre decae en la mitad de la muestra original. También se puede
conclu r que los núcleos radiactivos siempre se desintegran en forma
exponencial. esto quiere decir que cada cierto período de ttempo cam•
b1an por un factor. en este caso. 1/2.
Tiempo después de
Masa de la muestra de Número de átomos de Fracción que permanece
iniciado el e~perimento
Ra-226 (en gramos)
Ra-226 que permanece de la muestra original
(en a~os)
6x 10H
(o<nplela
Comienzo
226
11 3
3x 1023
1l2
3.200
56,5
1.Sx 10 23
114
~.800
28.25
0,JS x 10¡¡
1i8
1600
mi
Reacciones de primer
orden. Una ,eacdón de
ptimer 01den es aquella cu•¡a
velocidad depende de ta
concen11ación de uno de los
reacti\-oselevada a la p1irnera
potencia.
Velocidad de desintegración radiactiva
Para determinar et tiempo de vida media se debe calcular la velocidad
de desintegración radiactiva, esto quiere decir, la cantidad de átomos
que se desintegran en un tiempo determinado.
Como todos los procesos de desintegración siguen eméticas de primer
orden, la ley de velocidad para et deca,miento rad1ac11vo en un tiempo
t será:
Donde:
k es la constante de velocidad de primer orden.
N es el número de núcleos radiachvos ex1s1entes en un tiempo L.
Así, para una reacción de primer orden se establece que:
lnli= - kt
No
Donde:
N0 es el número de núcleos radiactivos existentes al inicio.
Siendo la ecuación de vida media para la reacción:
0,693
11112=-k•
1. la vida media del radioisótopo Co-60, es de 5,2 años. Si en un hospital se tienen 1.000 g de este
radioisótopo, ¿qué masa del isótopo quedará después de 15 a~os?
El decaimiento ra<fiactivo sigue una cisétka de piimer orden, sie1d0 la ecuación: n~= -«t.
Corno no se tiene el va o, de k, se calc-1'a de: t,,1 2 0,~93
Entonces: k =0,693
tra
?
O6 3 - O, 13 años- 1 , remplazando en la ewación:
S,2 anos
n- N-
1.000 g
- - 0 1~
'
1
x ~ le
-'l-Qe- 1.95
1.000 g
IJ = 1.000 g x e- 1•95
N = 142,23 g
11
Datación radiactiva
La datación radiactiva se utiliza para determinar la edad de algunos
ob¡etos de interés. Algunas técnicas de datación son:
Datación con carbono radiactivo
El isótopo C-14 se forma por el bombardeo de los rayos cósmicos al
nitrógeno atmosférico, según la ecuación:
El C-14 se encuentra en el aire como dióxido de carbono radiactivo.
Este gas es incorporado a la cadena 1róhca por las plantas, luego los
animales se las comen y exhalan C-14 como dióXJdo de carbono.
Cuando el ser vivo muere no intercambia materia ni energfa con el
entorno, por lo que no se renueva C-14 y su concentración disminuye.
Así. el C•14 a través de las sucesivas desintegraciones se transforma en
N-14, isótopo estable.
Willard Libby ( 1908-1980).
Ganó el premio Nobel de
o.,imica en 1960 por su
trabajo en la datación con
carbono rad1acti~ . E.sto
.,./
La '"da medlil del C-1 4 es de 5.730 anos. por lo que. cuanto menor
cantidad exista en un organismo u objeto, mayor se1á su antigüedad.
El mismo cambio que ocurre con el C-14 se observa en et carbón,
petróleo y madera del subsuelo, y también en las momias.
luego sir•lió para deteml11'hl1
qve e sudaroo de Turro data
deentre 1260 a 1390 d C.,
poi lo qve seríc1 imposible
de1e,m nar sin rnayores
estudios que fuese de
Cris10
Datación mediante isótopos de U-238
Esta datación se utiliza para determinar la antigüedad de las rocas. La
vida media de la primera etapa de desintegración del uranio es de
4,51 x 109 a~os, por lo que, en los minerales de uranio se deberlan
encontrar isótopos de Pb-206 formados de la desintegraC16n radiactiva. Así la edad de las rocas se estima a partir de la relaC16n entre las
masas de los isótopos de Pb-206 y U-238.
Primera desintegración del U·238
Al uanscurri, ura vida media. la miu,d
de U·238 se ha transformado en
Pb-206. El primer paso es
~erminante en la •~locidao ce todo
proceso.
Datación mediante K-40.
Es oua 1écnica u~da para
"
determinar la edad de las
rocas y una de las más
utilizadas en geoqufm,ca. la
de-; ntegiación del K-40 libera
gas Ar-40, el cual se uliliza
para delerminar la edad de la
muestra, esto a través de un
especuómetro de masas.
11
El Transmutación nudear
Experimento de
Rutherford. En 1919,
Ruthetford bombardeó
nitrógeno con partículas r,, lo
que produjo la emisión de un
protón más el isótopo 0- 17,
según la reacción:
Esta fue la p,imera vez que,
por transmutación, se pudo
convettir un elemento en
ot,o.
Transmutación nuclear
La transmutación nuclear es el camb,o que experimenta un núcleo
como resullado del bombardeo con partículas subatómicas como los
neuirones. También se conoce como radiactividad inducida, ya que es
posible producir radiactividad por medios art1f1cíales.
Como se ha visto en el capítulo, en el núcleo actúan dos tipos de fuerzas. una que tiende a separar los protones. llamada luerza de repulsión
eléctrica y otra que mantoene unidos a protones y neutrones, la fuerza
nuclear. $1se desea romper el núcleo de un átomo. se debe vencer la
fuerza nuclear; en cambio. si se desea agregar protones o neutrones a
este, se debe vencer la fuerza eléctrica. Ambos procesos son reaccio•
nes nucleares, por lo que liberan gran cantidad de energía .
A diferencia de la desintegración radiactiva, la transmutación resulta
de la colisión ele dos partículas. Asi. en la transmutación participan
cuatro partículas: el núcleo objetivo, la partícula que bombardea, el
núcleo producido y la partícula expulsada.
Aceleradores de partículas
la transmutación es pos,ble llevarla a cabo en equipos llamados aceleradores de partlculas, siendo un e¡emplo de ellos el ciclotrón. En este
se aumenta la energía cinética de las partículas forzándolas a seguir
una trayectoria en espiral o lineal. Al akanzar la energía necesaria, se
conducen fuera del acelerador para que colisionen con la sustancia
que se desea transformar, el blanco.
Con el es1udio de la transmuta•
Clón y utilizando los aceleradores
de partículas se han podido sinte•
tizar elementos con números ató•
m,cos mayores a 92. llamados
elementos transur~nicos.
11
Fisión nuclear
Procew en el cual se divide un núcleo pesado (A > 200) para formar
núcleos más livianos y uno o más neutrones. Los núcleos formados son
más estables y tienen mayor energla de enlace, por lo que se libera
gran cantidad de energla.
Una de las características más importantes
de la fisión nuclear es que produce más
neutrones que los capturados al inicio del
procew, por lo que se produce una reac•
ción en cadena, es decir, una secuencia de
reacciones nucleares de fisión. $in embargo, para que ocurra una reacción en cade·
na, debe existir una mlnima cantidad de
núcleos fisionables, conocida como masa
critica .
m
u
92
1398a
•
• •
56
•
1 1
..
º Nb
~n •
.
'n
o
~ Kr
'n
o
•
'"°xe
54
•
m
u
92
Fusió,o nuclear
Procew en el cual núcleos livianos se fus10nan para formar un núcleo
más pesado y estable. En este proceso se libera gran cantidad de
energla .
l.as reacciones de fusión también son llamadas reacciones termonucleares. porque
solo se llevan a cabo a temperaturas muy
elevadas. Esta es la razón por la que el Sol
rnan11ene su temperatura.
El Sol 9ene«1 la mayor parte de su energía
de la fusión de los núcleos de hidrógeno y
helio, isótopos que lo componen, o de la
combinación de estos. A través de las
siguienies reacciones:
•
.H +
1
Nucleos
de
H·2yH·3
O ·
• Radiacion
Y
•
Nucleo: H.e·:
•
1
o•
-
º
Neu;ron
Radiación
j
H ➔ ,He
1
\
11
Aplicaciones pacíficas: react ores y centrales
nucleares
Reactores nucleares
Unas de las aplicaciones pacificas de la fisión nuclear son los reactores
nucleares. sistemas construidos para generar energía eléctrica aprovechando el cal0t desprendido de una reacción en cadena controlada.
Piscina cJe un reactor
nucleM.
los reactores nucleares est~n formados ¡¡or:
■ Combustible, que es un material fisionable. como mineral de uranio
natural (0.7% de 2~~U) o enriquecido (3 o 4% de 2~~).
■ Moderador, que es un material que disminuye la velocidad de los
neutrones producidos en la fisión. Puede ser agua para el uranio
enriquecido o agua pesada o grafito para el uranio natural.
■ Reflector, como agua o grafrto, que disminuye la perdida de neutrones provenientes de la zona del combustible, los que son necesarios
para la reacción en cadena.
■ Barras de control, barras de cadmio o boro que regulan el flujo de
neutrones.
■ Refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible transfiriéndolo fuera del corazón del reactor. Es1e calor es trans¡¡ortado
hacia un sistema donde se produce suficiente vapor de agua para
hacer funcionar el generador elécIrico.
Reactor nucle(lr.
Existen distintos tipos de reacio•
res. Entre ellos: reactores de
investigación. que utilizan los
neutrones producidos en la fisión
nuclear para generar radio,sótopos o para el estudio de diversos
materiales. y los reactores de
potencia, que uxin el calor producido por la fisión para generar
energía elécirica. Entre estos se
encuentran los reactores de agua
en ebunic16n y de agua a presión.
11
Central nuclear
Una central nuclear está formada por uno o más reactores nucleares
conectados a un sistema de generaci61'1 eléctrica.
Esquema de una central nuclear
80trot do cont.rol
1
Producción de calor
1
1
Producción de electñcidad
Reactor nuclear de fusión
La producción de energla a través del proceso de fusión parece ser muy
beneficiosa. ya que utiliza combustibles baratos e inagotables, se producen escasos residuos radiactivos y se generan enormes cantidades
de energía. Sin embargo, para que este proceso se lleve a cabo, se
necesi,an temperaturas extremadamente altas. cercanas a 100 millo•
nes de grados Celsius. lo que técnicamente es imposible de lograr, ya
que no eXJsten los materiales ni moléculas que resistan estas temperaturas.
Alrededor del año 1950, dos cientiftcos rusos crearon un posible reactor de fus161'1 llamado Tokamak. Como a estas temperaturas todos los
átomos quedarían despojados de sus electrones, se formarla un plas'1!1ª· el cual solo se podría confinar mediante un campo magnético que
e}erciera fuerza sobre él. Solo de esta manera el plasma no entraría en
contacto con las paredes del recipiente evitando que el sólido enfríe la
muestra.
Por la necesidad de agua.
tas centrales nucleares se
construyen cerca de un tío o
de vn lago.
Plasma . Estado de la materia
que consiste en una mezc a
gaseosa de iones positivos ,
electrones.
11
Aplicaciones bé licas: bombas ató micas
las aphcaciones más destructivas de la í151ón nll(lear son las bombas
atómicas.
Una bomba atómica se forma con un explosivo común como el TNT, el
cual, al eS1allar, obliga a que se unan las secciones de matenal fisionable y se forme una cantidad de masa critica considerablemente mayor
produciendo la reacción en cadena.
La relación de masa y energla entre una bomba de TNT y una bomba
atómica se puede ver en el s,guieme ejemplo:
Bomba atómica . la primera
v,;z que se aphcó la fisión
nuclear fue en las bombas
atómic.1s que cayeíon sobíe
Hiroshima y Nagasaki, M
1945.
Bomba de TNT
Bomba atómica pequeña
20.000 toneladas
940 g
8 X 10 13 J
Sx 1013 J
Bomba atómica A
Es una bomba basada en la fisión nuclear, la cual usa como combustible uranio, plutonio o la mezcla de ellos. Generalmente se instalan en
los misiles. Este tipo de bomba íue ulilizada en la Segunda Guerra
Mundial. en Hiroshima el material íisionable era uranio,235, y en
Nagasaki, plutonio-239.
La bomba A lanzada sobre Hiroshirna y Nagasaki tenía un poder des•
lfuclivo equivalente a 12 kt. 1 kilotón (kt) equivale a mil toneladas de
TNT.
Explos~-o de TNT
Fuente de neutrones
Cuña subcrítica de U·235
11
Bomba atómica de hidrógeno
l a bomba atómica H, también conocida como termonuclear, es una
bomba basada en la fusión nuclear. Se compone de deuterio de litio.
Para que una bomba termonuclear detone se debe producir pnmero una
fisión nuclear que genere la temperatura necesaria para provocar la
fusión. Esto solo se logra haciendo explotar previamente una bomba A.
Bomba de hidrógeno. la
p1ime1a bomba de hidrógeno
se detonó en 1952, en el
atolón de tasislas Ma,shall,
siendo la temperatura
liberada en un segundo
mayor a t Smillones de
g,ado~
Detonadores: bombas
atómicas tipo A.
Bomba de neutrones
Es un caso modificado de la bomba de hidrógeno. En esta se reduce al
máximo el proceso de fisión. obteniendo menor onda expansiva o
pulso térmico, pero unas 7 veces más radiación ionizante (rayos X y
gamma) que una bomba A o de hidrógeno. que liberan 50% de energía meci\nica. 35% de radiación térmica y solo el t 5% de radiación
ionizante.
La bomba de neutrones tiene un cono periodo de radiación y bajo
poder de destrucción en las construcciones: sin embargo. las emisiones
radiactivas producen daños irreparables en los seres vivos. incluso si se
\ncuentran dentro de edificios o automóviles.
Las bombas de hidrógeno y las de neutrones solo han sido utilizadas
en pruebas expetimentales.
Deinococcus radiodurans.
Esta bacteria extremófila es
capaz de sopona, una dosis
de radiación gamma superior
a 15.000 Gy, con solo"°
37% de pérdida de
l'iabilidad. Una dosis 3.000
veces ma;·or a la quepuede
sopona, el ser humar.o. Por
esta ,arón se,fan las ünicas
sobrevivientes en una
<atástrofe nucleaL
11
Punto de ionización
la radiación natural constituye casi el 82% del total de ta radiación a
la cual los seres vivos están expuestos, originándose la mayor parte del
radón radiactivo que se encuentra en las rocas y en el suelo proveniente del decaimiento del urarno. El resto de la radiación proviene de isótopos radiactivos o rayos X producidos artificialmente. A la radiación
recibida constantemente se conoce como radiadón de fondo.
La radiación provoca excitación o ionización de la materia:
■ Excitación. Producida por ta radiación no ionizante. es decir, cuando
los electrones que constituyen los átomos o mol~ulas se mueven en
estaclos de mayor energla.
■ Ionización. Producida por la radiación ionizante, es decir, cuando se
saca un electrón de un átomo o molécula para formar un ion o un
radical libre.
Si se comparan ambos tipos de radiaciones, la radiación ionizante es
mucho más peligrosa para los seres vivos. esto se debe a que tiene una
mayor frecuencia y menor longitud de onda. Ejemplos de radiaciones
ionizantes son los rayos gamma, los rayos X y la luz ultravioleta.
Radiación en los tejidos vivos
La ilustración indica la capacidad
relativa de penetración de las
radiaciones a, ~ y , en un ser
vivo.
(X
ll
y
Cuando la radiación ionizante
pasa a través de un ser vivo, se
eliminan electrones de las moléculas de agua formando H2o•.
Estas, a su vez. reaccionan con
moléculas de agua produciendo
H30• y un radical libre · OH. El
radical es una mol~ ula inestable
l' muy reactiva que ataca biomo•
léculas generando nuevos radicales libres produciendo nue.,amen•
te la formación de radicales, perturbando funciones vitales.
Dosis de radiación
C1enllficamente se han establecido normas que regulan la exposición
a la radiación. Estas normas establecen las relaciones que existen entre
la d~is y la duración de la exposición a la radiación, indicando los efectos biológicos que producen. Para medir la energía de una cantidad
determinada de radiación se han establecido las siguientes untdades:
Unidades SI de dosis absorbida
■ gray (Gy): esta unidad corresponde a la absoroón de f joule de
energía por ktlogramo de tejido.
■ rad {radiation absorbed dose). unidad más utilizada en medicina.
Rayos X. u principal fuente
La equivalencia entre estas unidades es: 1 Gy = 100 rad
d<! rad ooón art,ficial a la
cuar el ser humano se
Unidades para expresar el daño biológico
■ sievert (Sv) y rem se uttlizan para expresar el dano biológico en términos de las cantidades reales de radiación absorbida.
rayos X. Por e¡emplo, la
dos,s de una rad,ograíra de
_,,
La equivalencia entre estas unidades es: t Sv = 100 rem
Se ha determinado que la radiación de fondo recomendable en un
afio. para una persona. no debe superar los 0.005 Sv, siendo la radiaetón recibida proveniente de fuentes naturales igual a unos 0.003 Sv.
Dosis (Sv)
O- 0.25
Efecto biológico
No hay efecto inmediato.
0,25 - 0,50 Disminución temporal de la cuenta de glóbulos blancos.
0,50 - 1.0 Disminución importante de la cuenta de glóbulos blancos.
1,0 • 2,0
Naúseas. Caída del cabello.
2.0 - 5.0
Hemonagias internas. Posible muerte.
> S,O
50% de probabilidad de muerte en el plazo de 30 dias.
encuentra expuesto son los
tórax es de 0.0005 Sv, '/
la de una dental. de
0.0002 $v.
EJ lsóto os radiactivos
Los isótopos radiactivos son producidos en los reactores nucleares de
investigación. El comportamiento químico es idéntico a un isótopo
estable del mismo elemento. pero son detectados ubicando la radia•
ción que emiten. Estos isótopos son una herramien1a muy útil, ya que
se pueden utilizar como trazadores en reacciones químicas biológica$
y no biológicas. Por ejemplo. en medicina, induslria y agricullura.
Trazadores en medicina
Los isótopos radiactivos son una
herramienta fundamenlal para
detec1ar y tratar algunas enfermeda•
des. Así, por eiemplo, util,zando
radiofármacos de vida media discreta, se pueden estudiar órganos y tepdos sin al terarios Una peque~a
dosis de radiofármaco se da al
paciente. ya sea por vla intravenosa
o por Vla oral. y a través de un dispositivo de detección se sigue el recorrido hasta que se concentra en un
órgano o te¡1do. La radiación emitida
por este permite crear una imagen
del órgano la cual es reproducida
para examinarla.
Glucosa
radiactita
l umO<'
(,10(~10S0
Detector
Loca flación de un rnmor.
cm
Isótopo radiactivo
Vida media
Area del cuerpo estudiada
Yodo-131
8.1 días
Tiroides.
Hierro•59
45, 1 dlas
Glóoulos rojos.
Fósforo-32
14,3 días
Ojos, hígado y tumores.
Tecnecio-99
6,0 horas
Corazón, hu~~ t·ígado y pulmones.
Sodio-23
14,8 horas
Sistema circulato,io.
Trazadores en la industria
Se utilizan para introducirlos en determinados procesos e investigar las
diversas partes Que lo componen. un ejemplo es la utilización de trazad0<es para deteaar fugas de gases o líquidos que son transportados
a través de canerfas por drversos circuitos. como los conductos subterráneos de un oleoducto. También se utilizan para obtener imágenes
de piezas internas de diferentes estrvauras, utilizando radiografías en
base a rayos gamma. conocidas como gammagrafías, usadas para
comprobar la calidad' de soldaduras en piezas metálicas y cerámicas.
Estas imágenes también se usan en medicina.
Gammagratla.
Trazadores en la agrícultura
Las a•"4?S ¡)ueden ingerir y uansponar
Los trazad0<es son utilizados para
llevar a cabo estudios sobre la efectividad de determinados nutrientes
para así poder u1ilizarlos adecuadamente en diversos cultivos. Esto se
logra introduciendo un isótopo,
como el P·32, en un fertilizante para
marcarlo, luego se incorpora el fertilizante en el suelo en tiempos y cul•
livos diferentes; así será posible
determinar qué cantidad y en qué
época del año aplicar el fertilizante
para obtener mayor productividad.
Con este método es posible lograr
cultivos más resistentes a las plagas
o controlar directamente las plagas
suministrando altas emisiones de
radiación ionizante en la población
de insectos machos, ya que asr no
dejan descendencia.
los ¡:,slicidas.
,..,.
Trazadores en los estudios del medjo ambiente
En este sector, los trazadores son utilizados para detectar y analizar
diversos contaminantes. Para realizar el estudio se irradia una muestra
de agua o suelo obteniendo los espectros gamma que emite, para
'{inalmente procesar la información. Este método es utilizado para
irives,igar los danos causados por derrames de petróleo, contaminación por dióxido de carbono. contaminación del agua o libe1ación de
gases a nivel del suelo.
Ejercicios
1. Indicar tres diferencias entre las reacciones
nucleares y las reacciones químicas.
2. Indicar cuáles de los siguientes ejemplos son
isótopos.
11. Indicar qué órganos y tejidos del cuerpo
humano se encargan de estudiar los
siguientes isótopos radiactivos:
a. fósforo-32.
b. sodro-23
c. hrerro-59.
d. yod:>-131.
3. Nombrar las desintegraciones radiactivas,
según orden decreciente de poder de
penetración.
4. Indicar la principal característica de los
elementos radiactivo$.
S. ¿Para qué se utiliza la datación radiactiva?
12. ¿Cómo se utilizan los trazadores en
a. la agncullura?
b. la induSlfia ?
c. el estudio del medio ambiente?
13. Identificar X en las siguientes ecuaciones
nuclea res:
6. Indicar las principales diferencias entre la
fisión y fusión nuclear.
7. Nombrar los principales componentes de un
reactor nuclear.
8. ¿Cómo es el poder de penetración de las
radiaciones gamma en el organismo de un ser
vivo?
9. ¿A qué corresponde un
a. gray?
b. sievert ?
10. Clasificar las siguientes reacciones como
fisión o fusión.
14. Dentro de la serie de decaimiento del
uranio-238 ocurren las siguientes
desintegraciones; indicar qué representan X.
YyZ.
l. 2iiRn --> 2~Po + X
11 . 2~Po--> Y + 1He
111. Y -4 Z + -~e
1S. Calcular cuántas partículas alfa y beta debe
emitir el uranio-235 para producir el
plomo-207, según:
nsu
--> etapas de
92
decarmrento
fl
-, 20,Pb + 4He + o e
82
2
-1
16. La vida media del radioisótopo hierro-59, es
de 45, 1 días. Si se tienen 5 g de hierro-59,
¿qué masa del isótopo quedará activa
después de 30 días?
17. Calcular la energía liberada en el Sol por
cada mol de hidrógeno que se fusiona. Se
sabe que cuando un mol de átomos de
hidrógeno se fusiona para producir helio, se
produce un defecto de masa igual a
0,0069005 g.
18. Se obtuvo una muestra de 6 g de un
sarcófago egipcio. Al ser analizada se
obtuvo que la actividad radiactiva por
gramo de C-14 es de 7,8 desintegraciones
por minuto. SI la actividad normal del C•14
en la naturaleza es de 13 desintegraciones
por minuto y la vida media del Isótopo es de
5.730 años, ¿cuál es la antigüedad del
sarcófago?
Solucionario
1. Reacciones nucleares: pa11icipan protones y neutrones, los iwtopos se intercoovierten entre si y se absorben o
liberan grandes cantidades de energía. Reacciones químicas: participan solo electrones. los átomos se ordenan
según la ruptura y lormación de enlaces y se absorben o I befan pequeñas cantidades de enl!fgia.
2. El hidrógeno y oxjgeno, yaque poseen igual Zydistinto A.
3..,c./
·1, ll y a .
4 . Los elementos radiactivos se desintegran espontáneamente.
5. Se ut'liza para dctl!fminar la edad de objetos de inte1és arqueológico.
6. La fisión es el proceso por el cual un núcleo pesado {A > 200) se dMde para formar núcleos más livianos y uno
o más neutrones. La fusión es el proceso en el que núcleos livianos se tusionan para formar un núcleo más
¡M!$i!do y estable. Ambos procesos liberan gran cantidad de energía.
7. Moderador, reflee10<, barras de control, cefrigerante y combustible.
8. a. Como las radiaciones gamma tienen un alto poder de penetracioo. son capaces de a1ravesar todos los órganos
del cuerpo.
9. a. Un gray (Gy) es la un;dad corresJ)Ondiente a la absorción de 1 joule de enetgfa p0< kilogramo de tejido. b. Un
~e.,ert {Sv) se u1iliza para el\l)resar el daño biológico en términos de lascantidades reales de radiación
absorbida.
1O. a. Fisión. b, Fusión. c. fusión.
11, a. Ojos, hígado y tumores b. Sistema circulatorio. c. GlóbJlos rojos. d. Tiroides.
12. a. Se utilizan para ob1ener cuhivos más resistentes y par.i mejorar sus condiciones de almacenamiento y
conservaoón. b. Para identilicar posibles fugas de llqu:dos o gases y para obtener imágenes de inte<iores de
piezas indusuiales. c. Se utiliza en la detección y análisisde contaminantes.
.. b• 141N. c._,e.
O d. , e. e. m86Rn.
13. a. 60
16M1
2
14. X = jHe. Y = JjPb. Z = 2A
1Bi.
'\S. a. 7 partkulas alfa )' 4 partículas beta.
16. 3.19 g.
17. 6.2x10I' J,
18. 4.222 años aproximadamente.
'ºa
Química orgánica
a química orgMica es el área de la qurm,ca que se encarga de
estudiar las estructuras. propiedades y reacciones de los compuestos que tienen como átomo central el carbono.
Por ejemplo. los olores que se perc,ben a diario dependen de la estruc-'
tura tridimensional de las moléculas orgánicas. Cuando hay un escape
de gas, la mayor parte de las personas dicen sentir su olor. s,n embarg·o. el gas no tiene olor sino que este se debe a la presencia de algunos compuestos awfrados que se le al\aden al gas para poder sent11lo y no intoxicarse. Otro ejemplo es la transmisión de mensajes entre
los insectos y algunas plantas, los cuales secretan sustancias qulmicas
imperceptibles a los sentidos. o la secreción de feromonas sexuales
durante el período de reproducción.
Todas estas características y muchas más se pueden conocer a partir
del estudio de las moléculas orgánicas y su disposición espacial.
Orgp,rización de los contenidos
\.
Qulmica orgánica
[
r
átorro de
carbono
.l
adclkos
_b
l=-1
eídicos
teltavalencia
petróleo
hibiidación
01igen
I
refinación
mecanismos
de ,eacción
estereoisomeria
,__
concertado
SN 2
de cadena
-, geométrica
de posición
-
estructural
hidrógeno
'-
_l
isomEria
hid,ocarburos
prop,edades
físicas
propiedades
químicas
r
aromáticos
gru~
funcionales
L
de funcioo
óptica
,
en etapas
~
e L l
I
SN1 _J
tipos de
reacciones
I
aplicación
usos
medio
ambiente
11
-
·--
La química de tos compuestos de carbono o también conocida como
química orgánica, se ocupa de estudiar las propiedades y reaccoones de
los compuestos formados por carbono.
El carbono constituye el 0,032% de la corteza terrestre. Como carba•
no elemental, existe en dos formas alotrópicas cnstahnas, como diamante y como grafito. Otras formas con poca cristahnidad son el car•
bón vegelal, el carbón coque y el carbón negro de humo.
El carbono es "no de los
constituyentes mAs
importantes de muchos
prO<luctos. enire otros·
combvsttbles, alimentos,
fibras textiles, plást,cos.
colora11es, íarmacos.
explosivos.
El átomo de carbono
Las propiedades físicas y químicas del carbono se explican por sus
caracterisllcas especiales. asi como también por su gran número y
diversidad:
El átomo de carbono se ubica en el grupo IV A. periodo 2.
Su número atómico (Z) es 6 y su número másico (A) 12 g/mol.
Posee una electronegatividad intermedia igual a 2,5. Esta le confiere al átomo de carbono la propiedad de combinarse con facilidad
con otros elementos muy diferentes formando enlaces covalentes.
■ Tiene una configuración electróoica igual a:
1s2 252 2p2; su estructura de Lewis es: ·C·
Sin embargo. si el carbono formara enlaces de esta mar1era. solo tendría 4 electrones en total en su nivel de valencia. por lo que aún le fal•
tarian cuatro para completar la regla del ooeto.
Para alcanzar la configuración de gas noble en una primera etapa. el
carbono en su estado fundamental, absorbe energía del entorno, fo
que le permite redistribuir sus electrones dejando 4 electrones desapareados, situación llamada estado excitado.
El carbono es tetravalente.
Tetravalencla del carbono
Como se explicó, el carbono redistribuye sus elec1rones para lograr la configuración de gas noble.
Para ello deja cuatro electrones desapareados.
Por es1a razón, el carbono se conoce como
tetravalente.
Según la teoría enlace-valencia, los Momos tienen distinta capacidad de unión;
además, dos ~lomos se unen cuando
cada uno de ellos aporta un electrón
para formar un enlace, el cual se representa medianle una raya. En este caso, el
átomo de carbono puede unirse a cuatro
átomos iguales o distintos, ya que 1,ene cua•
!ro electrones desapareados en su última capa.
Entonces, para lograr la configuración de gas noble,
el,tirbono rediwibuye sus átomos formando enlaces con:
4 átomos. Puede formar cuatro enlaces covalentes simples con
el hidrógeno
.,H
~
HlGH
,.
H- C- H
H
H
1
3 átomos. Se une a tres elementos formando con uno de ellos un
enlace covalente doble.
2 átomos. Se une a dos elementos formando con uno de ellos un
enlace covalente triple.
\
H!C::C ,H
H!C:$N
En cada uno de los casos, cada átomo de carbono toma la conf1gurac16n de gas noble.
El silido. El sil cio, al igual
(¡<le el carooro. es
teuavalente, por lo que
p<Jede uni,se a O1,os átomos
de sil'cio formando la,gas
cadenas. Sin embargo. a
diferencia cel carbono, los
compuestos sil'cicos son
mestab es. El silicio
P'°POr<iona rigidez a p.intas
con t.llos cil'ndricos y hueco~
como el trigo, el bambú.
Hibridación del átomo de carbono
----
Los elec11ones del orbital
molecular se ubican ent1e los
oodeos de los dos átomos
enlazadoi. los que los
mantienen unidos. N formase
un orbital molecular, los
olbitales atómicos cambian
de forma.
Teoria orbital-molecular
Esta teorfa expi ca que cada átomo P05ee un orbital atómico (OA), y qut
estos se combinan formado un orbital molecular (OM).
OM
Orbital atómico
•
+
OA s
En la tallla se obstn<a la
formación ~ un orbital
molecular al enlazarse un
átomo A y un átomo 8.
El enlace simple corresponde
a un orbital molecular sigma
(OM o) y el enlace doble a
un orbital molecular
pi (OM1t).
A-
• a•
• a•
-+
~
OM o s-s
-+
_A.. 8-
OAp
+
o
OAp
OAp
n
Orbital molecular
OM ap-p
•• •... •• •• ....
•
A
+
OAp
B
A
+
B
~
o
8
A
OAp
OM 1t P-P
Hibridación del átomo de carbono
Para explicar la formaoón de enlaces a partir de la teoría orbital-molecular
se utiliza un nuevo concepto, la hibridación del átomo de carbono.
Hibridación s,r. Cuardo un átomo de carbono exot<Jdo se une a 4 átomos de hidróger.o (solo poseen OA s).
quedarían 1 OM o s-s y 3 OM n s-p. Como los orb.tales son d lerentes, tienen distinta eneigla ~ enlace.
E.xpe,wnenta mente se conoce que los enlaces C- H son idénticos. por lo que es necesario illtrodu<ir un cambio en
el estado excit.lilo. Asi. los OA se combiian formando un híbrido, conocido como hibridación s,r.
!Ill2 ID ~ ID ID
1s
2s' 2px 1 2pyr 2pzr
ID
hibndación
spl
2(sp')1
Estado excitado
De este proceso, el OA s y 'os 3 OA p forn an híbridossp3.
Como en cada OA sp3 ~ay un electrón, los 4 electrones se
repe en. Esta repulsión es mínima cuaedo los orbitales híbridos
se dis:ribJ·;en con sus vértices de un ieuaedro regular, es decir.
con un ángulo de 109.Sº.
Molécula de etano. Cada vez que un átomo ée carbono se
une a .i átomos, lo hace a través de una hibrid.lción sp3•
Estado h,brioado
H
Híbridos s{)'
;
:
\
H
'
H
Elano
Hibridación sp1• El átomo de carbono exotado se combina con 1 OAs
y 2 OAp. por esto se conoce como sp2 • quedando 1 OA p no híbrido.
lil!ID1 ID1 ID1 ID1
ls1 2s 2px 2py 2pz
Eslado excitado
En este caso, los 3 OA sp2 son idénticos. La repulsión se evita ubican•
do los 3 OA s,J en el mismo plano (plano xz) con un ángulo de 120".
El OA p no hibridado se ubica en posi(ión vertical sobre el eje y.
Eteno. hibridación sp2. Es.te
~PO de hibndaoón se
produce cuando un átomo
de carbono se une a
3 Jtomos.
Hibridación sp. En esta h1bridoción se recombina 1 OA s y 1 OA p,
quedando 2 OA p no hibridados.
lil!ID1 ID1 ID1 ID1
1s2 2s 2px 2py 2pz
Estado excitado
h,bt,dación
sp
lill ID ID IDID
ls2 2(sp) 1 2(Sp) 1 2p 2p
Estado hibr,dado
Los.2 OA p son idémicos y se ubíean en el eje x del plano. en un ángu•
lo de 180°. La repulsión se atenúa ubicando los 2 OA p no hibridados
en el plano. Uno en el eje y, y el otro en el eje z, con esto se logra la
máxima estabilidad.
1. Identificar en la molécula los tres tipos de hibridación
del carbono con sus correspondientes orbitales moleculares
y ángulos de enlace.
Etino. h1bf'idaci6n sp. Al
unirse un átomo de cafbono
a 2 átomos, se produce
hibridaaón sp.
5 O' sp3 - s (C - H)
2 O' sil- s (C-H)
l a.sp- s(C - H)
1 O' .sp3 - s¡t (C - C)
1O' .sp3 - .sp1 (C - C)
1 cr sp2 - sp1 (C - C)
l a sp1 - .sp (C - O
\
1 asp - .sp(C - CJ
Hidrocarburos
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados solo por carbono e hidrógeno. Según su estructura se clasifican en:
saturados
alcanos
acíclicos
alquenos
insaturados
hidrocarburos
alquinos
cíclicos
aromáticos
El brd'o que poseen alg,nas
frutas se debe <1 '3 presellC,a
ele alcanos de e'evada masa
mofecular que retubren su
p,el.
Hidrocarburos acíclicos
Son aq\H/llos que están dispuestos en cadenas abiertas hneales o ram
ficadas. Se les llama saturados o alcanos cuando los átomos de carbono están unidos por enlaces s,mples, e insaturados cuando los enlaces
son dobles (alquenos) o triples (alqu,nos).
Hidrocarburo acldico
Lineal
Hidrocarburo Fórmula
acíclíco
general
alcano
C,.H¡n, l
H
CnH2r
alquino
Cnl-12-, - 2
1
HHHH
1
1
1
H-C-H
1
H-C-C-C- C- li
1
alqueno
Ramificado
1
1
H 1HH
1
1
HH H H
1
1
H-C-C-C- C- H
1
1
H HHH
Hidrocarburos clclicos
Hidrocarburos aromátícos
Son aq\H/llos que forman cadenas cerradas. es Están constituidos por ciclos formados por
decir, los átomos de ca, bono se enc\H/ntran
dobles enlaces conjugados. El número de
unidos en sus extremos lormando ciclos. Se
electrones p debe ser igual a 4n + 2. siendo n
puede encontrar más de un ciclo a la vez y con un número entero. Existen aromáticos
enlaces dobles y triples.
condensados y no condensados. El princ,pal
ejemplo es el l>enceno.
o co □
o 00
Benceno
Maftaleno
Propiedades físicas y químicas de los
hidrocarburos
Propiedades físicas
Alcanos
Alquenos y alquinos
Estado flsico
gaseosos:
l'quidos:
sólidos:
1 a 4 átomos de e
5 a 17 átomos de C
18 y más a1omos de e
Punto de
ebullición y
fusión
Son bajos debido a la talla de pola1idad de los enlaces e - e ye - H y
las débiles fuerzas de Van der Waals que p,eseman. pero aumentan a
medida que~ in<rementa el número de á1omosde carbo'lO.
Densidad
Menor a la del agua
(< 1 gicm3).
Solubilidad
Insolubles en agua y disolventes polares.
Solubles en disol= tes aoolares.
1 a J á1omosdeC
4 a 8átomosdeC
9 y m3s átomos de e
Propiedades químicas
Alcanos
Son poco reactivos por la estabilidad de los enlaces
C- C y C-H.
las reacciones más importantes son:
halogenación (reacción de sustitución con
halógenos); pirólisis
(descomposición de compuestos por efecto del
calor en alcanos y alquenos más ligeros); cracking
(proceso de ruptura de largas cadenas carbonadas
por el aumento de la temperatura).
La reacción más in,portante es la
combustión, por ejemplo. el butano:
C,H,o +
'f 01 -+ 4 C02 + 5 H20 + E
\a gran energía producida (1,320 kJ/mol) es la razón
por la que los alcanos se emplean como combustibles.
J
Alquenos y alquinos
El doble y triple enlace entre átomos
de carbono determ,na la gran
reactividad química de estos
compuestos. ya que un enlace n es
mas débil que un enlace o.
■ las reacciones más importantes de los
hidrocarburos insaturados son las
reacciones de adición, esto se debe a
la gran facilidad con que se rompen
los enlaces it.
Nomenclatura orgánica
----
La IUPAC ha establecido un conjunto de reglas para nombrar los com•
puestos orgánicos. Como regla general, el nombre del compuesto
tiene un prefijo, q~ indica el número de átomos de carbono. y un
sufijo, que indica su característica química princ,pal.
Nomenclatura de alcanos
La siguiente tabla presenta los 1O primeros alcanos con su prefijo.
Sigla para la Unión
tnternaoonal de Química
P\lra y Aplicada, IUPAC.
Fórmula del alcano
Nombre
N' de
Prefijo
carbonos
IUPAC
CH,
Mel
Metano
CH, (H3
2
Et
EIano
CH,(HrCH1
3
Prop
Propano
CH,(HrCH2-CH3
4
But
Bu1ano
CH,(HrCH¡- CHr(H¡
5
Pent
Pentano
CH, (H¡-CH¡-CHr(H¡-CH3
6
Hex
Hexano
CH,(HrCH¡-CHr(H¡-CHr(H¡
7
Hept
Heplano
CH,(H,CH¡-CHr(H¡-CH¡-CHr(H¡
8
Oct
Octano
CH,(H,Cll¡-CHr(H¡-CHr(Hr(H¡-CH3
9
Non
Nonano
Cfl,(H,CH¡-CHr(H¡- CHr(Hr(H¡- CHr(H¡
10
o«
Decano
Como se observa en la tabla, todos los alcanos lerminan con el sufijo
-ano. Este indica que el compuesI0 pertenece a los arcanos, y por lo
tanlo, solo posee enlaces simples.
Para oombrar un alcano se deben seguir las siguientes reglas:
1. Reconocer y marcar la cadena principal. que es la cadena de carbonos más larga y conlinua que tiene un compuesto orgánico.
2. Identificar los radicales o sustituyentes. que son los que quedan
fuera de la cadena pnncipal, pero enlazados a ella. Si el compuesto
tiene dos o más radicales idénlicos, estos se nombran de acuerdo a
la can!idad que exis1a de cada uno. Asl, di· será dos. tri- 3, etc.
3. Numerar la cadena princ,pal desde el exIremo en el cual los sustíIuyen1es queden con el menor valor.
4. Finatmenle se nombra el compuesto indicando los radicales en orden
alíabé1ico y luego su cadena princ,pal.
Nomenclatura de alquenos y alquinos
Para nombrar los alquenos y alquinos. se siguen las mismas reglas que
en los alcanos. con los siguientes cambios:
En el punto 1, la cadena carbonada debe tener el o los dobles y
triples enlaces presentes en el compuesto.
En el punto 3, la cadena principal se numera desde el extremo en el
cual el enlace doble o triple tenga la menor numeración.
En el punto 4, el sufijo -ano cambia por -eno en los alquenos y por
-ino en los alquinos. Al prefijo se le antepone el número correspondiente a la posición del alqueno o alquino.
Radicales o sustituyentes
Un radical (R) es un grupo de átomos que se une a la cadena principal.
Para nombrarlos se cambia el sufijo -ano, por -il o -ilo.
Algunos ejemplos de radicales son:
Fórmula
Metil
-CM¡
Etil
- CH¡-CH¡
Propil
- CH¡-CH¡- Cli3
lsopropi
-CH-<:H¡
'
CH¡
Butil
-CH¡-CH¡-CH¡-CH¡
Secbutil
CH¡-CH-CH¡-CH3
1
CH3-CH-CH3
lsobutil
1
CH¡
1
CH3
1
Te1butil
CH¡-C1
CH3
obser✓ar
\orno se puede
en las estructuras, existe un carbono al que
le lalla un hidrógeno, el cual está remplazado por un enlace H. Este
corresponde a la unoón enue el radical y la cadena prtncipal.
Asfalto. El asfallo es un
hidrocarburo formado por
ak:anos en esmlO sólido,
con m~s de 35 ,uomos de
carbono en sus moléculas.
1. Dar nombre IUPAC a los siguientes compuestos orgánicos:
~
4
l
,
Cadena orincipal: peniano.
Radicales: meril.
Nume,a<ión: de de1echa a izquierda.
Nombre: 2-metilpentano.
1
a. CHr CH¡- CHrCH-CH¡
J
CH¡
Cadena p1incipa1: hexano.
Radica'es: metil.
Numeración: de de,eeha a izquierda.
Nombre: 2, 2, 5-trimetilhexano.
CH¡-CH¡-CH¡
'
1
c. CH_r(H-CH¡-CH- CH¡-{_H¡-CH¡
1
,1
',
b
1
-
',
•
~
; (H¡
1
•CH¡
,
...
d. CH¡-CH¡-CH=CH-CH-CH-CH1
¿H¡ i H¡
1
4
",
1:
~(i
e. CH,,-CH-CH¡-CH- CH¡
1
CH¡-CH¡
1
)
1
CH¡
1
1
CH¡ CH;-(;H¡-CH¡
1
CH¡
~
~
l
Cadena p,incipal: octano.
Radicales: metil y p,opil.
Nume,ación: de izquierda a de,echa.
Nombre: 3-metll-5-propiloctano.
Cadena principal: hepreno.
Radica'es: metil.
Numeración: de izquie,da a deredIa.
Nombre: 5,6-dimetil- 3-hepteno.
Cadena principal: decano.
Radicales: eiil y meril.
Nume,ación: de iz,¡:iie1da a derecha.
Nombre: 5-etil- 3-metildecano.
Cadena princ'pal: nonino.
Radica es: metil.
Numeración: de dereeha a izquie,da.
Nombre: 2- metil-4-nonino.
Compuestos ciclicos y aromáticos
Ciclos. En el caso de los compuestos clclicos, se antepone el prefijo
ciclo. Si tiene radical, la numeración comienza de este.
Por ejemplo:
Nombre: 1- metilciclopropano
Nombre: 1-etil-1- ciclobuteno
Aromáticos. Los aromáticos más senCtllos son derivados del bence•
,eo. descubierto por Friedrich Kekulé en 1825. La estructura del benceno es:
Los aromáticos tiene nombres tradicionales, como:
naftaleno
fenantreno
\
antraceno
El té,mino a,omátíco se
Uiiliza porque los primeros
compuestos descubiertos
tenlan olores intensos y cas•
s~mpre agradables, o se
e,t,aian a parti, d<! sustancias
a,omática~ como el anís.
GruP-OS funcionales
Los compuestos orgánicos, además ~ carbono e hidrógeno, pueden
tener otros grupos o átomos que les proporcionan propiedades caracterfsticas. A estos grupos se les conoce como grupos funcionales.
Nombre
Acido carboxílico
lster
Amida
Aldehioo
Cetona
Alcohol
Amina
Éter
Haluro
Estructura general
o11
R--C- OH
o
Ejemplo
Sufijo
ácido
- oico Vinagre.
{91
•
- oato de R,
Aroma Que
desprende el platano.
o11
-amida
P1otefnas del hue•o.
o
11
- al
Aroma Que
desprenden
las almendras.
o
11
-ona
Acetona.
R-OH
-ol
Bebidas alcohólicas.
1
- amina
Olor a cigarrillo. •
~
R--0- Rr
~ter
Aroma de los p<?rfumes.
IIJ
R--C--O- R1
R- C- NH¡
R-C-H
R--(-R1
R- N- R,
R¡
R-X
(X: f, CI, Br, 1)
La tabla presenta los grupos
íunóonales más comunes. La
letra R indica la cadena
carbonada.
- según el halógeno Cubierta de teflón.
Yi
-
Ácido carboxílico
Los ácidos carboxilicos, o también conocidos como ácidos orgánicos,
pose<=n en su molécula el grupo luncional carboxilo, -COOH. La fór•
mula de este grupo funcional puede representarse como:
H- COOH
R-C (O) OH
Poseen elevados puntos de fusión y ebullrción. Destaca en ellos la reac•
ción entre el ácido y los alcoholes en medio ácido, produciendo ésteres, reacción llamada esterificación.
h ier
1os ~steres son derivados de los ácidos carboxílicos, en los que el
hidrógeno del grupo -OH es sust11uido por un radical alquilo (R 1) . Su
fórmula puede representarse:
o11
R- C- O-R1
R-C (O) O-R 1
Sus puntos de fusión y ebullición son mJs bajos que un ácido de igual
,nasa molecular. Se presentan en estado sólido o líquido. Se descomponen mediante hidrólisis formando ácido y el alcohol correspondiente Si en la reacción hay hidróxidos alcalinos, se forma la sal correspondiente al ácido, reacción llamada saponificacíón.
Amida
Las amidas son derivados de los ácidos carboxílicos, en los que se ha
cambiado el grupo -OH por el grupo amino - NH2. Su fórmula es:
o11
R-C- NH2
Sus puntos de fusión y ebullición son más altos que los ácidos correspondientes, debido a la alta polaridad del grupo funcional amida. Sufren
reacciones de hidrólisis: si el medio es ácido. se obtiene un ácido carboxílico y amonio; si es bás,co, se obtiene una sal y amoniaco.
Aldehído
Los aldehídos posee en su molécula un grupo
o11
carbonilo -C- y un hidrógeno unido a uno de
los carbonos de un extremo. La lórmula se
expresa:
R-CHO
Cetonas
Las cetonas poseen en su molécula un grupo
9,
carbonilo -C- . Su fórmula puede representarse:
o11
R-C-1-1
Las propiedad¡ físicas de los aldehfdos y cetonas son más bajas que las de los akoholes
correspondientes. pero mJs altas que los hidrocarburos de igual masa molecular. Sus prop,edades
químicas están dadas por el grupo carbonilo, por lo que sufren reacciones de adición y
sustitución nucleolllica.
11
Alcohol
Los alcoholes se forman al remplazar uno de los hidrógenos del agua
por un radical carbonado. formando un hidroxilo. Su fórmula es:
R-01➔
Fenol. Si el grupo alcohol
eslá unido a u, aromá1ico, se
obtienen los fenoles.
Sus puntos de f us,ón y ebulhción son más altos que los hidrocarburos
de igual largo de cadena. debido a la capacidad de formar puentes de
hidrógeno Sus propiedades químicas están marcadas por la polaridad
de los enlaces C-0 y -OH, causando reacciones de esterificaoOn, deshidratación. oxidación y combustión.
Amina
Las aminas se forman al remplazar los hidrógenos del amoniaco por
algún radical carbonado. Su fórmula es:
R- N- R,
1
H
Pnmaria
Secundaria
Terciaria
Los puntos de fusión y ebullición de las aminas p11marias y secundarias
son más altos que los hidrocarburos de igual cadena, pero más bajos
que los correspondientes alcoh_oles. debido a los puentes de hidrógeno. Qufmicamente tienen carácter bás,co y nucleofilico.
Éter
Los éteres se forman cuando en el alcohol o en
el agua se cambian los hidrógenos por radicales
carbonados. Su fórmula es:
R- O- R1
El olor <-:lracterís-ttco de la carne desco,npuesto se
debe .J la puttesc,na, am1nii que se forma al
descorr,pone1:,,; l~s p101einas
Los puntos de ebullición se parecen a los hidrocarburos de igual masa molecular, pero más
bajos que los alcoholes de igual masa. debido a
que no lorman puentes de hidrógeno. Existen
en forma sólida, líquida y gaseosa. Son muy
poco reactivos.
lialuros
l os haluros se forman al sustotuir uno o mAs
hodrógenos de un atcano por halógenos (X)
como: F, CI, Br y 1(elementos del grupo
Vll A). Su 16rmula es:
R- X
El teílón que recubre las ollas es un compuesto halogenado.
1. Utilizando la tabla de la página 218, dar nombre a las siguientes moléculas orgánicas.
o11
J
a. CHrCH, C- 0
o
"
)
1
d. H-C-Cll,<H3
', .
'
Cadena principal: propano.
Grupo funcionat a!oehldo.
Radica'es: no hay.
Numeración: de izquieoda a derecha.
Nombre: propanal.
Cadena p1incipal: propa110.
'-t,upo funcional: ácido ca,bo,i ico.
Radicales: no hay.
Numeración: de derecha a izquie,da.
Nombre: ~cido propanoico.
o11
o
•
e. CH,-(11¡-CH,C-<:H¡
b. CH,CH7-CH¡-C--O.Cfl3
'
'
'i
1
1
1
Cadena principal: pentano.
Grupo lurcional: cetona.
Radicales: no hay.
Numeración: de de,echa a izqu e,da.
Nombre: 2-pentanona.
Cadena principal: butano.
<ioupo funcional: éster.
Radicales: meflo.
Numeoa<ión: desde el C con 2 O.
Nombre: propanoato de metilo.
Cll,¡_Oli
O'
1
11
c. Cli ¡- CH,<H,C-NH2
1
f. CH1-CH-<H-<H1
' '
Cadena pcincipal: butano.
Grupo funcional: am'da.
Radicales: no hay.
Nuneració~: desde el e con O•; N.
Nombre: butanamida.
l
t
,r.
-
j
/
1
Cade·1a p,incipal: burnno.
Grupo funcio,al: alcohol.
Radical~: me1il.
Nume•ación: de derecha a izquietda.
Nombre: 3,-metil- 2- butanol.
Isomería
Isomería
1
1
1
estructural estereoisomería
~:;:n
t::
E:::i:trka
:unción
Los isómeros son moléculas orgánicas que poseen idénllca fórmula
molecular (ver p. 35), pero diferentes propiedades físicas y químicas.
debido a la distinta distribución de los átomos en las moléculas. Existen
distintos tipos de isomería, como la estructural y la estereoisomeria.
Isomería estructural
Esta isomería, también conocida como isomería plana, solo presenta
fórmulas desarrolladas en el plano, lo cual explica las diferencias
estructurales. Dentro de la ,somerla estructural se distinguen:
lsomerla de cadena. Son compuestos que difieren en la distribución
de los átomos de carbono, su estructura puede ser lineal o ramificada. Por ejemplo, el pentano y el 2,2- d1met1lpropano ~enen la misma
fórmula molecular, C5H12, pero diferente punto de ebullición (J). el>.).
pentano
2,2•dimetilpropano
CH¡
1
CH¡-Cll,Cfl,-CH,(H¡
CH¡-C- CH¡
p.eb. = 36, 1•e
CH¡
p.eb. = 9.5
r
•e
Isomería de posidón. Compuestos que tienen la misma cadena carbonada y el mismo grupo funcional, pero este se encuentran en distrnta posición. Por e¡emplo. el 1- propanol y el 2- propanol tienen el
mismo grupo fur><:ional, akohol (-OH}. ubicado en diferente posición
1-propanol
2-propanol
OH
CH_r(H¡- CH¡ -OH
p.eb. = 91,4 •e
1
CH¡-CH-CH¡
p.eb. = s2.4•e
Isomería de función. Compuestos que 1ienen igual fórmula molecular,
pero distinto grupo funcional. Por ejemplo, la fórmula molecular del
but.1nal y la bu1anona es C4 HsO, pero el primero tiene un aldehído
como grupo funcional y el otro una cetona.
Butanal
CH¡..(H¡- CHr CHO
p.eb. = 75,7 •e
11
Butanona
o
11
CH1-<H,-C-<M3
p.eD. ~ 79,6 •e
[ stereoisomería
Llamada también isomería espacial, se presenta en compuestos que
solo se diferencian en la disposición espacial de sus átomos, lo cual se
observa a través de sus fórmulas desarrolladas en el espacio. En este
tipo de isomerla se pueden distinguir·
lsomerla geométrica. Se presenta en compuestos que poseen dos
átomos de carbono unidos por un dOble enlace y, a su vez, tienen
dos sustituyentes. Si los sustituyentes se encuentran en ef mismo
lado del doble enlace, se llama cis. si se encuentran en lados opuestos se co11oce como trans.
cis-2-buteno
Cli¡-CH2
CH3
' \ 1 ,/
( = (
/
M¡C
\
CH¡
Los isómeros ds y trans no
ocurren cuando hil'f más de
dos sustituyentes iguales
a los dos lados del doble
enlace, como en ef
2,3 -d,me~l-2-penteno.
trans•2•buteno
Isomería óptica. También llamados enantiómeros,
son compuestos que solo se diferencian en su componamiento frente a la luz. Los enantiómeros presentan propiedades fisicas y químicas 1dént1cas, sin
embargo, desvían la luz polarizada en sentidos
opuestos: uno a la derecha, dextrógiro (+) y otro a
la izquierda, levógiro (-}.
Este lipo ele ,some,ía suele presentarse en compues•
tos que poseen llnOo más carbonos asimétricos o qui•
ral, es decir. que peseen los cuatro suslituyentes dile•
remes. Una caracteris11ca de los enantiómeros es que
el par objeto-imagen no es supe1ponible.
Estructura tridimensional de las
moléculas. Pdra dibujar en el plano mol~culas
en 30, se debe considerar la siguiente
simbología:
Linea con1i~ua = en el plano.
Cuñ.i 1e9meniada =por deuasdel plano.
Cuila continua = emerge del plano.
COOH
11
Reactividad de compuestos or ánicos
En los áIomos o grupos de
átomos se puede produc~
un efeclo de repulsión debido
al volumen que poseen los
sustituyentes en una
molécula, denominado
efecto estérico.
Mecanismo de reacción
Las reaccrones entre compues1os 0<gánicos se producen por la ruptura inicial de los enlaces covalentes y la posterior formación de ellos. El
estudio de este proceso es llamado mecanismo de reacción, que es una
descripción detallada. medianIe fórmulas. de las etapas por la qu~
pasa un sustrato para transformarse en producto. En un mecanismo,
el sustrato es fa molécula org~nica que se transforma, y el reactivo, Id
especie química que provoca la transformación.
Reacciones bimoleculares o mecanismo concertado (SN¡). Se produce cuando la ruptura
de los enlaces de los reacIivos y la formación de los nuevos enl.lces ocurre simulMneamente
(en una sola etapa) a través de un complejo activado. Por e¡emplo, l.! reaccrón del
1- bromopropano.
A medida que el ion yoduro (1-Jen1rega sus electrones, el átomo de bromo comienza a
romper el enlace con el carbono. f inalmente, se forma el enlace C-1 y se rompe el C- Br.
Reacciones unimoleculares o mecanismo en etapas (SN 1). Pnmero se produce la ruptura previa
de algunos enlaces del reactNo y del sus1ta10 (etapa lenta), con la formación de productos
intermediarios, luego se forman nuevos enlaces (elapa rápida). Por e¡emplo, la reacción del
dime1ilbromoetano para pasar a 2-melil-2-propanol. Los grupos metilo se muestran como una
sola esfera de color morado.
Etapa 1
.. _,,~.. . . .
Etapa 2
AIaque del nucleófilo por la derecha _
0>' __..
rf •.
-.,,.
Alaque del nudeó'ilo po, la izquierda
• ..
4'A
'
•
~
-
Primero se forma el carboca116n. que es más estable. ya que posee en los carbonos adyacentes
enlaces C-H que lo ayudan a estabilizarse El carbocatión puede ser atacado por el núcleofdo
tanto por el cos1ado derecho como por el izquierdo.
Ruptura de enlaces
Id forma en que se desarrolla una reacción orgánica depende de la
manera en que se rompen los enlaces. Cuando un enlace se rompe, los
Plernones pueden repartirse en forma igual o permanecer sobre uno
de los átomos al cual pertenecen . Según esto, hay diferentes tipos de
ruptura.
Ruptura homolítica
También llamada r,,dicalaria, se produce cuando cada uno de !os áto•
mos que forma el enlace conserva el electrón que aportó inicialmente.
As,, el enlace se rompe de manera simétrica generando dos especies
neutras, llamadas radicales libres.
El conoc1n11e-nto sobre
los mecanismos de
,e.1cc10,, es clave en el
pefiecc,ona,niento de
Esta reacción suele producirse en átomos que no presentan gran diferenaa de electronegatividad y en presencia de luz UV. ya que requiere
un y><>rte elevado de ene19ra.
los procesos industri¿¡les
Ruptura heterolitica
Se produce cuando uno de los Momos se queda con el par de
H
electrones que forma el enlace covalente. Así, la ruptura del
enlace se produce en forma asimétrica.
R- C·
Ll ruptura origina dos iones, uno positivo y otro negativo,
esto indica que este tipo de reacción se produce en átomos
con dife1ente electronegahvidad.
R-c•1
Cuando el carbono queda con carga positiva, se forma un
carbocatión o ion carbonio. Se representa ele la forma:
1
1
H
H
1
Cuando el carbono queda con carga negativa. se forma un
carbanión. Su representaoón es,
Ion carbooio
H
H
1
R-C'
R¡C'
Radical libre
1
Caroanión
H
Intermediarios. los pnncpares
inIeimediarios son los radicales lib·es. el
carbocaIió, y el ca1ban1ón.
DesQlazamiento electrónico
Representación de la
polaridad de enlace
Se rep,esenta mediante un
vector que va desde el
átomo menos
electronegativo hacia el
más ele<tronega1ivo.
Por ejemplo:
Cuando los átomos que participan en un enlace covalente de un compuesto orgánico tienen dis1inta electronegativ1dad, ocurre un despla•
zamiento permanente de los electrones desde el enlace hacia el átomo
más electronegallvo, generando una polaridad de enlace.
A __:__ 8
A ----!. B
•
A
•
B
A
Esta situación permite predecir el tipo de reactivo atacante una vez
conocidas las zonas de mayor o menor densklad de carga.
La densidad de carga es la carga eléctrrca que, en promedio, se locali•
za en una unidad de volumen ubicada en las proximidades del núcleo
atómico.
Efecto inductivo
negativo (-1)
Grupos que atraen
electrones con may0t
inlensidad que el hi.tógeno.
Por ejemplo: --OH, - N0 2,
-COOH, - X (halógeno).
Efecto inductivo
positivo (+I)
Grupos que ceden
electrones. Por e;emplo:
- CH¡, -CH¡-CH3, -C(CH,J,
-coo-. -o-.
El hidrógeno se toma como
referenaa.
El desplazamien10 elect16nico
que se p1oduce en el efeclo
inducfr,o se rep1esen1a
mediante una tlecha (➔).
Como los electrones lienen carga negativa, el átomo más electronegati•
vo (átomo Ben el ejemplo de abajo) queda con un polo negativo (¡;·¡, es
decir, excedente de carga negativa, y el ~tomo menos eleCllonegativo
(átomo A en el ejemplo de abajo) con un polo pos,tivo (6'), es decir,
carente de carga negativ,,. Se dice entonces que la molécula se ha pala•
rizado.
o•
¡¡-
A--=-• s
o
B
Efecto inductivo
Es un desplazamiento parcial del par electrónico de un enlace o hacia
el átomo m.ls electronegativo provocando frawones de carga . Por'
ejemplo, se observa en el enlace C-C del etano (CH,CH3), que ambos
elec1rones están igualmente arraidos por cada núcleo. En cambio, en
el enlace C- CI del cloroetano (CHrCHrCIJ, el cloro atrae hacia sr los
eleclrones, produciéndose un dipolo eléctrico:
6(+ )
8H
C -> CI
La distribución de carga posi1iva sobre el carbono 1nfluye sobre los áto•
mas vecinos:
6i •>
6(+ )
6í >
e .... e .... e .... c1
rm
El desplazamiento se transmite a lo largo de la cadena hacia enlaces
adyacentes. aunque cada vez m~s débilmetlte.
~fecto mes6mero
Es el desplazamiento del par de electrones n del doble enlace hacia
uno de los átomos, por la presencia de p.,res electrónicos cercanos. Se
produce cuando hay enlaces múltiples y existe la posibilidad de que los
~lectrones se deslocalicen. Por ejemplo. en el grupo carbonilo (::c~o>.
la polarización del enlace n hace que el oxígeno adquiera carga parcial
negativa, y el carbono, carga parcial positiva:
6(+) 6(-)
'....e-o
-
El desplazamiento electrónico
que se produce en el electo
mesómero se representa
mediante una flecha (~ 1-
....
El desplazamiento se transmite a lo largo de la cadena alcanzando
grandes distancias, sobre todo cuando las moléculas tienen enlaces
dobles con)Ugados.
::xf2!c~~
....
Tipos de reactivos
COfllO se sabe, los reactivos -moléculas muy activas- se encargan de
producir la reacción química del sustrato. Considerando la estructura
eleclrónica de los reactivos, se pueden clasificar en:
Nucleófilos. Son especies qufmicas
con una alta densidad electrónica,
dada por una carga negatrva (Nuí
o por un par~ electrones no
enlazantes (Ñu). Los reactivos
nuc\eófitos reaccionan con el
sustrato en los centros con
ooficiencia de electrones. Las
reacciones en las que rntervienen
se llaman nucleofllicas.
Electr61ilos. Son especies químicas deficientes en
electrones. ya sea por carga (E•) o por un octeto
incompleto(: E:). Por esta razon. tienen gran
afinidad por los centros del sustralo con alta
densidad electrónica. Las reacciones en que
mtervienen se llaman electrofllicas.
.;.- - E•
R9
.....
Por ejemplo: H", OF3, AICl3, NOi.
~
'
- Nu
Sustrato Reactivo
Por ejemplo· R-OH, H2O,
R- NHz. NH3. R- COO- y
halogenuros.
:E:
Sustrato Reactivo
_;.-- Nu·
....
Ácido de Lewis. Sustancia
capaz de acep1ar electrones;
son reac1ivos electrofilo~
Base de Lewis. Sustancia
capaz de ceder electrones;
son reactivos nucleófilos.
-
De acuerdo al proceso que se produce entre reactivos y productos, las
reacciones orgánicas se clasifican en:
Reacciones de sustitución
Las reacciones de sustitución o desplazamiento ocurren cuando un
átomo o un grupo de átomos son remplazados por otro, es decir, un
grupo entra y otro sale. Como estructura general se tume:
1
1
- C-C- A + B
1
1
➔
1
1
-C- C- B + A
1
1
Por ejemplo:
•
CH3-CH2- CI +
ow ->
CHrCH¡-OH
+
cr
El carbono marcado con asterisco(•) no varia su conhgurac,ón, solo
cambia un sustituyente por otro.
Según sea la ruptura del enlace. se reconocen tres tipos:
Radicalaria, que se produce en tres foses: iniciación, propagación y
terminación.
Electrófila, donde un reactivo electróf1lo ataca zonas de alta densidad electrónica (dobles enlaces del anillo bencénico).
Nucleófila, donde un reactivo nucleófilo ataca a un carbocallón.
Reacciones de adición
Este tipo de reacción se da en moléculas con enlaces múltiples. Así, se
rompe un enlace doble o triple entre los átomos, uniéndose a ellos
otros átomos o grupos de átomos a través de enlaces más sencillos. En
este caso, en el sustrato se produce adición de un sustituyente.
Como estructura general se tiene:
A 8
1
1
c-e1 1
Por ejemplo:
+ H-OH
H,so,
En este caso. los carbonos marcados con asterisco (*) van cambiando
su hibfldaci6n. por lo <1ue se dice que la nueva molécula es más satu•
rada; los carbonos solo se unen por enlaces simples.
Reacciones de eliminación
Estas reacciones se pueden considerar inversas a las de adición, ya que
el sustrato disminuye la cantidad de sustiluyentes. En este caso, se
eliminan moléculas pequeñas como H20, H2, HCI, NH 3 y se obtiene
otto compuesto de menor masa molecular. La molécula cambia su
hibridac,ón, se hace más 1nsaturada, lormando dobles y triples enlaces.
Como est1Vctura general se tiene:
t~
-C-C'
'
1
-C=C+ A-8
➔
1
Por ejemplo:
H-OH
Reacciones de reordenamiento
En estas reacciones. los sustftuyentes cambian de posición dentro de la
misma molécula. Estas reacciones son llamadas también reacciones de
iso) erización o transposición. Como estructura general se tiene:
AB
1
-C-C1
➔
'
Por ejemplo:
H OH
CH~- CH-CH 3
",so,
1
CH3
1. Clastticar las siguientes transformaciones como reacciones de sustitución. adición. eliminación o
reordenamiento.
a. CH,r-CH=CH 2 ,. HBr
➔
Br
1
Cfl 3- CH-CH3
b. CH¡-CH¡-CH¡-OH H,SO.,
c. ~ O H
a. Adición.
H¡SO, >
CH3-CH=CH2 - H¡O
V
OH
b. Etim nación.
c. Reo•denaniento.
ARlicaciones de com uestos orgánicos
Reacciones redox en compuestos orgánicos
Alcotest. El alcotest se
utiiza pa,a detec1a, el et.inol
en la respiración, esto
implica, en fo,ma iidirecta,
la presencia de alcohol
en la sang,e.
En los compuestos orgánicos la transferencia de electrones no es tan
clara, por esta razón. se definen ciertos principios:
en una reacción de reducción se produce un nuevo enlace con hidró•
geno, es decir, la molécula se hidrogena o disminuye la proporción
de oxigeno. nitrógeno y halógenos.
en una reacción de oxidación se producen enlaces múltiples por eliminación de hidrógeno, es decir. se deshidrogena o se crean enlaces entre el carbono y elementos electronegativos, como: oxígeno.
nitrógeno y halógenos.
Por ejemplo, la oxidación del metano a dióxido de carbono:
Oidi,ot11 l~l ~J
p
R.t:IJC<(f\
'tt<l.!«16n
1retc'l!M'
-
l'lltl'®'(O
dió:i:do
dt~Q."10
Oxidaciones biológicas
Gran parte de los sustratos oxidados en los organismos vivos sufren
deshidrogenación. Los hidrógenos sustraídos a los sustratos se unen al
oxigeno molecular para formar agua:
t• = 0,82 V
Las reacciones de deshidrogenación son ca1alizadas por enzimas deshidrogenasas. los hidrógenos son captados por la coenzima, un nucleótido de nicotinamida (NAD O NADP) O de flavi11a (FAD). Para el NAD, la
semirreacción se puede representar como:
Número de oxidación. Se
calcula según el e,lace q~ el
ca,bono establece con 011os
átomos. En el enlace e-e, el
Ces O, en C-H, es •1y en
C-0 u 0 110 elemento
electronegatr10, es - 1.
Se trala de una reacción fuertemenle exergónica; s, ocurriese en una
e1apa. se produciría liberación brusca de energía en forma de calor. no
aprovechable por la célula. En general, en los procesos b10lógicos los
hidrógenos extraídos al sustrato no son directamente oxidados por el
oxígeno sino transferidos, en etapas sucesivas, a dislintas sus1anc1as
recep1oras de potencial de reducción creciente. Así, la energía se libe•
ra en forma fraccionada y puede ser captada por la célula.
Propiedades físi cas de compuestos orgánicos
Las propiedades físicas de los compuestos 01gánicos. como los alcanos,
se van modificando por la presencia de algún grupo funcional, por
eIemplo:
Punto de
Solubilidad en agua
ebullición (ºC) (A 25 ºC y g/100 ml)
Compuestos
Nombre
CH¡OH
CH¡CI
CH,
metanol
cl01ometano
65
infinita
·24,2
metano
· 161,7
0,74
3,5
CH¡CH¡()H
CH3CH2CI
CH¡CH¡
etanol
clo,oetano
etano
78.S
12,3
·88,6
infinita
I-p<opanol
pIopano
97,4
infiníta
6,5
'>
( H3CH2CH20H
CH¡CH2CH¡
CH¡CH¡CH¡CH¡OH 1-bulanol
CH¡(CH 2hCH20H
l;ientanol
-42, 1
0,45
4,7
117,3
8
138
2,2
Al analizar la tabla se observa que la presencia de grupos alcohol en
los alcanos aumenta notablemente la temperatura de ebullición . Esto
se debe a que estos grupos pueden establecer puentes de hidrógeno
entre sí, por lo que necesitar~n gastar m~s energia para pasar a la fase
gaseosa.
También hay cambios por el largo de la cadena carbonada. Al observar
los alcoholes se evidencia una clara tendencia de aumento de la temperatura de ebullición y una disminución de la solubilidad en agua,
esto se debe a que al aumentar el largo de la cadena aumenta la
nfluencia apelar de la cadena hidrocarbonada y la influencia de la
oolaridad del grupo OH es menor.
Muchos derivados
halogenados de los
hidroca1bu1os tienen
aplicaciones industriales
imponantes, poi ejemplo:
• El do,oformo, muy úlil
como disolvente y por
muchos años fue usado
como anestésico.
- El cloroeteno, se utiliza para
la obtención del PVC.
· Los CFC se ulilizan como
pro;,efemes y refñgeran1es.
Su uso está fuertemente
cueslionado. ya que dañan
la capa de olOno.
etróleo
El petróleo, o aceite de piedra, es una mezcla de hidrocarburos que se
forman a partir de la materia orgánica acumulada en los sedimentos
de cuencas marinas, ademas de pequenas cantidades de azufre, oxígeno, nitrógeno y metales. Puede ser sólido como el asfalto y las ceras
paraílnicas, líquido como el petróleo crudo, o gaseoso como el gas
natural y el metano. Su color es variable, dependiendo de la proporción de hidrocarburos presentes, al igual que la densidad y ouas pro•
piedades.
Formación del petróleo
crudo y del gas natural. El
petróleo crvdo ~ fo,ma a
temperaturas cercanas a os
50 •e, en cambio, el gas
natural a tempe,aturas
supeno,es a 100 •c.
1
3
I
"O
~
"O
'6
4
1
l
5
Formación del petróleo
La formación de petróleo se produce bajo determinados factores, tales
como: la presenC1a de restos animales y vegetales, principalmente
plancton marino, la ausenc,a de a,re, altas presiones producidas por las
capas terrestres, altas temperaturas y la acción de bacterias anaeróbi•
cas, que no necesitan del oxrgeno.
La materia orgánica que es cub,erta
durante millones de al\os por sed •
men1os de arena y arcrlla, más la presión y las al1as temperaturas, forman
los barros sapropélícos. los que luego,
a través de complejas reacciones y en
un ambien1e con baja concent,ación
de oxigeno, se convierten en petróleo
por la presencia de ba<terias.
El petróleo ya formado se encuentra
en la roca madre. Si aumenta la presión, por ejemplo, debrdo a la profun•
didad de la roca, et petróleo se moverá a través de poros o grietas hacia
zonas m~s superficiales donde la presión sea menor, ubicándose en zonas
donde pueda acumularse. Estas zonas
son conocidas como trampas. En este
lugar se forma un yacímiento petroll•
tero.
Zonas de acumulación de petróleo
El petróleo se encuentra mezclado con agua y gas natural. El gas natu•
ral, al ser menos denso que el petróleo. sube por encima de este: en
cambio, el agua, como es más densa, baja.
Superficie tet1est1c
o fondo acuático
Falla geológica
Rocas
a1eniscas
Peuóleo
Zonas geológicas favorables para la acumulación de petróleo y gas natural
El peuóleo queda auapado poi una capa impermeable
impídiendo que fluya hacia capas supe,liciales.
falla.
El peuóleo Que migra a tmvés de capas a,cr.scas Qucóa El pet,óleo Qu""a
•• atrapado por capas ,,mpe,meables.
auapado cuando llega a 10cas iml)€rmeables.
Combustibles derivados del petróleo
Gas licuado. El gas rcuado
corresponde a lJl1á mezcl.J
de propano y butano.
hidcocarburos gaseosos de 3
y 4 átomos de caibono.
respectivamente.
Refinación del petróleo
A traws del proceso de refinacrón del petróleo se obtienen dNivados
de este, tales como: el queroseno, los aceites lubricantes y el asfal1o.
La refinación se realiza a través de la desttlación fraccionada del petró•
leo, en las torres de fraccionamiento (ver p. 309).
El número de átomos de carbono que
contenga el hidrocarburo, es de<:ir, su
tamaño molecular, determinará el esta•
do físico de la fracción destilada. Así,
los hidrocarburos que tienen entre 1 y
4 átomos de carbonos, son gases; los
que tienen entre 5 y 16 átomos de carbono, son llquidos; y, los que tienen más
de 18 átomos son sólidos.
Refinación del petróleo
Fracción de
destilación
Punto de
ebullición •e
Nº de átomos de
GAS
20
De uno a cuatro.
Combosnbles: cocina, gas de cañería,
gas licuado, calefactores domésticos.
GASOUNA
30 a 200
De onco a diez.
Combustible de aviones y automóviles.
QUEROSENO
200 a 275
Oe diez a dieciséis.
Combustible doméstico y
de aviones a ,eacción.
Cracking.
DIESEL
275 a 400
De dieciséisa
dieciocho.
Combustible paca
moto1es diesel. Cracking.
ACEITES
LUBRICANTES
Oe$tilación al vacío
De die<iocho a
veinticinco.
Lubricación. Cracking.
4DO
VASELINA Y
PARAFINA SÓLIDA
Destilación al ,,ado
ASFALTO,
CARBÓN COQUE
Residuos
no volátiles
4DO
carbono
De \'eintiónco a
cua,enta.
MJs de cuarenta.
Aplicaciones
Para ungüento, velas. aislante
eléarico, e impermeabilizacioo.
Cracking.
Pavimentación e
rmpe,meabilización.
La gasolina
Es una mezda líqurda de hidrocarburos que poseen entre cinco y diez
átomos de carbono. Debido a su
Imponanc1a y a su gran demanda,
se obtiene gasolina a partir de otros
destilados del petróleo. a través de
dive!WS procesos.
Cracking . Es la ruptura de largas
cadenas de hidrocarburo en
otras más pequeñas a través de
la temperatura. En algunos
casos, para que se produzca
esta reacctón, se deben utihzar
catalizadores que aceleran la
velocidad de las reacciones.
Cracking:
Moléculas grandes se lmgmer.tan
en trozos más pequeños.
)
Luego; los hidrocarburos obtenidos en el cracking son procesados a
través de la pohmerización e iwmerización, obteniendo productos
diferentes:
polimerización. Combina moléculas de hidrocarburos obtenidas en
el cracking formando cadenas más largas.
isomerización. Se obt,enen moléculas ramificadas a partir de moléculas lineales.
Octanaje de la gasolina
La propiedad antidetonante de un combus1ible se relaciona directa•
mente con su eficiencia. Por ejemplo. los hidrocarburos lineales, como
el heptano, se queman muy rápido causando grandes detonaciones
que pueden dañar un motor; en cambio, los h,drocarburos ramificados
como el isooctano, se queman lentamente provocando pequeñas
detonaciones. Estas propiedades dependen del índice de octano: a
mayor indice. menor es la probabllidad de que el combustible cause
detonaciones.
El Indice de octano señala la detonabilidad de un combustible comparándolo con una mezcla que t,ene un porcentaje de 1SOOC1ano y heptano. Por ejemplo, si un combustible tiene las siguientes características
antidetonantes: 93% de isooctano y 7% de heptano, se d,ce que la
gasolina tiene un fndice de octano 93.
Indice de cetano. Equ1•1ale
al indice de octano para ~
vehicu'os pesados y
maquinarias que usan diese!
como combustible. El diese!
tiene val01es entre 40 y 55.
Estructura del isooctano.
Usos del etróleo y medio ambiente
Productos comerciales obtenidos del petróleo
Los compuestos químicos que se obtienen del petróleo se conocen
corno petroquímicos. la petroqulmica es el área que se ocupa del aprovechamiento de los diversos componentes del petróleo.
Asfalto
Gas licuado
Se utiliza para fa pa•1imentación.
Combustible doméstico e industrial.
Queroseno
Gasolina
Se usa como combustible pilra fa calelacción.
Comoostible usado en motores de combustión interna.
Diesel
Derivados del alquitrán
111
'
Co·nbl!stible para vehicu'os pesados y maquinarias.
Bence110. del cual se fabrican algunos solventes y
color,111tes.
Derivados del alquitrán
Derivados del alquitrán
Tolueno, del cual se fabr can algijnosriedicamentos.
perfumes y cosméticos.
Etile'lO, mate1ia prima pm fabricar polimeros como el
PVC y e► poi etileno.
__..,,,
Petróleo y medio ambiente
El petróleo es la principal luente de ener9ra en el mundo y es la materia prima para muchos de los productos que se utilizan hoy en dla. Es
por esta razón que su consumo y producción son muy elevados, son
embargo, se le considera un recurso no renovable, por el tiempo que
demora en producirse en la naturaleza.
Para la conser.•ac16n y buena u1;r.zac16n de este recurso. se proponen
tres medidas:
Recortar: prescindir del recurso energético.
Reformar: cambiar los hábitos de vida y de la producción de bienes
y servicios.
Conciencia ambiental: usar racionalmente el recurso y buscar y ut,liwr nuevas fuentes de energía.
Al producir y utilizar menos el petróleo, no solo se está ayudando a la
conservación de este recurso, sino que también a la descontaminación
ambiental. El uso sin control del petróleo produce:
contaminación atmosférica . a través de
la combustión de hidrocarburos, los que
liberan al aire grandes cantidades de
d ióxido de carbono, provocando el efecto
invernadero y sobre-calentamiento del
planeta.
Energías alternativas. Hoy
en clase está inceotil'ando el
uso de combustibles no
contaminantes como el
metanol, el l•idrógeno y los
biocombus,ibles. Poi ejemplo:
e' etanol, cl a'cohol etílico y
10$ biodiesel, que se obtienen
de productos orgánicos.
contaminación del agua: a través de los
derrames de petróleo crudo al mar,
conocidas como mareas negras, que
provocan la destrucción de la ilora y
launa marina.
Ejercicios
1. Se~alar tres características del átomo de
carbono.
10. Indicar las características de los isómeros dt
función.
2. Explicar la importancia de la tetravalencia del
carbono.
11. ¿Qué tipo de isomería representan los
siguientes compuestos?
3. Seftalar la configuración electrónica del
carbono en su estado exilado.
4. ¿Por qué la estructura del siguiente
compuesto no es correcta 7
(H¡-(H¡-CH¡- NH¡
12. Indicar qué moléculas presentan
estereoísomerla.
a . CH¡-(H ¡-OH
b. CH¡-CH-CH¡
1
CH¡
S. Indicar la composición básica de los
hidrocarburos.
6. ¿A qué alcanos representan los siguientes
compuestos?
c. CHrCH-CH¡-CII¡
1
CH¡
13. ¿Qué se estudia en el mecanismo de una
reacción ?
14. ¿Cuándo se produce el efecto estéríco?
a. CH¡-(H¡-CH,-(H¡
b. CH¡-(H,-CH¡-CH,CH¡-CH¡
15. Identifica qué tipo de ruptura se produce en
las siguientes transformaciones:
c. CH¡-CH¡
7. ¿Qué caracteríta a un hidrocarburo cfclico?
8. Se~alar tres ejemplos de compuestos que se
clasifiquen como hidrocarburos aromáticos.
9. ¿Qué grupos funcionales presenta la siguiente
molécula'
OH
o
OH
a.
on
e ➔
~,
H¡C H
o:
11
ce
/'
H¡C H
b. CH¡+cH¡ ➔ CH¡- + ·CH¡
c. H--O+H ➔ HO· + · H
16. En relación al petróleo, responde.
a. ¿Cómo se o,iginó el petróleo?
b. ,En qué consiste una uampa peuolífera?
c. ¿Qué se:\ala el índice de octano?, ¿y qué
d;ferencia existe ent,e este y el índice de
cetano?
d. ¿Pera qué se utiliza el proceso de o ack,ng?
17. Indicar el valor de los ángulos 1, 2 y 3 de la
siguiente estructura.
o
~
18. Identificar la hibridación del carbono en la
siguiente molécula.
CH.,CH,CI
19. Dar nombre a los siguientes compuestos
orgánicos:
CH3
1
a. CHrC-CH¡- CH3
1
CH2-CH3
b. CH3-CH-CH¡-C H-CH1
1
CHrCH 2
f
1
21. Escribir la estructura de los siguientes
compuestos 01gánlcos a partir de sus
nombres:
a. 2,5- dimetiloctano.
b. 6-etil-3-metildecano.
c. 4.5,7- trimetil-1- noneno
d. 4- etil-3- hepteno.
e. 6-etil-2-met,t--3-heptino.
f. 4-cloro-2- penteno.
9. dime1tlpropano.
h. 1,3-butaclieno.
i. ácido propanoico.
22. Indicar el tipo de estereoisomerla que
presenta el ácido maleico.
CH3
1
CH2 CH,CHi-'H2
1
CH3
HOOC
COOH
'C=C/
/
H
'
H
c. CH,-CH-CHz-CH=CH-CH3
1
CH3
CH3-CH,<;:H-CH¡- CH3
1
23. Clasificar los siguientes reactivos como
nucleófilos o electrófilos.
d. CH C-CHi-'Hz-CH-CH3
20. Clasificar los siguientes compuestos de
acuerdo al grupo funcional que poseen.
a. CHrCO-CH3
b. C6Hs- CO-CH3
c. CHrCO-NH¡
d CHrNHz
e. CH3-CH¡-CHO
f. CH3-'0-0H
g. CHrCH¡-OH
24. ¿Qué tipo de reacción representa la
siguiente ecuación?
25. Indicar si en las moléculas está correcta o
incorrectamente indicado el tipo de
hibridación para el ~tomo de carbono con
asterisco.
c. ~ido p<opano,co.
d. 2-pentanona.
28. Dar nombre a la siguiente estructura.
a. CHrC H1
1
1
fl
OH
F
hibridación sp
a. Á
o
29. Indicar el nombre para cada una de las
·"
b. CHrC- H
h bndación sp2
estructuras.
'
c. CH2:CH2
h1bndación sp2
H
a.
26. En la siguiente ecuación:
e
'C=C
/
H3C
o
OlrCHi-Br + CN ➔ CHrCHrCN + Sr
ci'es núdeohlo o electrófilo.
b. ¿Qué tipo de reacción es?
'CH3
' C:CCH3
'
H
b.
/
/
a.
H
/
H3C
H
30. ¿En qué grupos funcionales se encuentra
presente el grupo carbonilo?
27. Escribir las estructuras de los siguientes
compuestos:
a. butanoato de metilo.
b. pentanoato de etilo.
Solucionario
1. Se pres,,ma en la natura elil en forma c,istalina como grafito o diamanIe o con poca cristalinidad como carbón.
Su mediana electronegatividad le permite fo,mar fácilmente enlaces covalentes. Es el constitu)'ente principal de
todos los se,es vivos.
2. El carbooo 1ed1Sl11buye ws electrones para poder dejar lible cuatfo de ellos,)' así poder completar la
configuración de un gas nob'e y ser es!ilble.
3 1s2 2s 1 2px 1 2py 1 2pz 1•
4.1\lrque el carbooo so,o s,, puede cn1azar a 4 átomos. En este caso. el segundo carbono presenta 5 enlaces.
5. Están f0<mados solo por carbono e hidrógeno.
6. a. Butano. b. Hexano. c. Etano.
7. la caraClerística principal es que están f0<mados por cadetlils ce·radas de carbono.
8. Una po~b!e respuesta puede ser: benceno, Iolueno y anilina.
9. üe,. a'cohol, amina y alqueno.
10. Compuestos que tienen igual fórmula molecular, pero distinto gmpo funcional.
11. lsorne1ia de posición.
12. a. No. b. No. c. Si.
13. Es una descripciór deta'!;,ca, rr-ediante fó<mulas. de las etapas por la que pasa un sustrato pa,a transfo,marse
en produc1o.
14. Cuando en los átomos o grupos de átomos hay un efecto de repulsión debido al votumen de los sU51itu1entes
de una molécula.
15. a. Heterolít,ca. b. Homolítjca, c. Hornolitica.
16 a. Se forma por la preser1<ia de restos a1imales y ~•tales, principalmente plancton marino, la ausencia de aire
y altas p1esiones producidas por las capas teirestres, altas tempeiatu,as ;· la acción de bacterias anae1óbicas. b. Son
zonas de aC\!mulación de petróleo. c. Se1i;,la la deton.ibilidad de un combustible compa,ándolo con una mezcla que
tiene un porcentaje de ·sooctano y heptano. d. Se util'za pa,a rompe, molécu'as de la,gas cadenas ca1bonadas en
otras más pequeñas a través de la tempe•atura.
17. 1 = 109'. 2 = 120'. 3 = 120'.
18. l/)3, sp3.
19. a. 3,3-dimetilpentano. b. 5-etil-.Hnetildecano. c. S-metil-2-hexeno. d. 6~til-5-rnetiloctino.
20. a. cetona. b. cetona. c.amida. d. amina. e. aldehído. l. Ácido carbox.ílico. g. alcohol.
CH3
CH3
CH3
Olr(H,
1
1
1
1
"
21. a. CH¡-CH-CH¡-CH¡-CH-CH¡-CH¡-CH¡
b. CH¡-CH,Cll- út¡- Cll¡-CH-CH¡-Ol¡- CH, CH¡
CH3 CH3
CH3
r 1
1
c. CH¡~CH-CH,CH-CH-CH¡-CH-cH¡-CH3
CH¡
r
CH,-CH3
1 -
d. CH¡-CH¡-CH:C- CHrCH¡-CH¡
CH,CH¡
1
e. CH,CH-CeC-CH¡-CH-CH¡
f. CH¡-CH-CH:CH-CH3
r
CI
CH¡
g. CH¡-C-CH3
i. CH¡-CH¡-COOH
CH¡
22. Cis.
23. a. Nucleóftlo. b. Elewófilo. c. Nucleóí lo. d. Nucleólilo. e. Electrófilo.
24. Sustitución.
25. a. lnco•recto. b. Co11ecto. c. Correcto.
26. a. Nucleó/ilo. b. Reacción de sustitución.
o11
27. a . CH¡-CH¡-CH¡-C- 0- CH¡
o
11
c. CM,-CH¡-C-011
28. a. 2- fluorpropano.
29. a. Cis-2-buteno. b. !fans-2- buteno.
30. Aldehídos y cetonas.
o
11
b. CH¡-CH¡-CH¡-CH¡-C-0-CH¡-CH¡
'
11
Polímeros naturales y
sintéticos
Qué semejanzas y diferencias poseen estas estrueturas?
Comienzo de la insulina
o11
oU
o11
o11
o11
o1
HzN•-(H- C- NH CH- C- Nf!-CH- C- NH- CH- C- NH-<"H-C-NH-<" H- C-NH¡
1
1
·
1
T
1
CH
~H¡
~H¡
~H¡
CH¡
H/cH 3
e"º
cH
e
1
1 2
/~
1 2
hH¡
C=O
HN
CH
CH
1
1 1
,,,
NH¡
Hl =N
H3C CH¡
©
cH
Nailon
Como se puede ver. una semejanza es que ambas están formadas por
m,les de átomos de carbono unidos unos a otros y. en algunos casos,
a otros átomos. formando largas cadenas conocidas como polímeros.
Sin embargo. la gran diferencia es que la primera de ellas es un polfmero natural; en este caso. el comienzo de la hormona insulina producida po< el páncreas y fundamental en la vida de algunos los seres
vivos. En cambio, la segunda es un polfmero sintético; en este caso,
solo una peque~a pane del pollmero pohamida. más conocido como
nailon.
La industria química ha logrado sintetizar una infinidad de poi/meros
sintéticos a partir de las estructuras de los polímeros naturales. produ•
ciendo asi miles de nuevos productos que se utibzan actualmente.
Organización de los contenidos
Pollmeros
naturales
sintéticos
iOOfgánicos
siliconas
caroohidratos
proteínas
mooosacándos
aminoáóóos
estructura
molecular
l
r
homopolímeros
polirooi,ación
~
copolímeios
po, condensación
es11U<11Jra
función biológica
plástico:;
enzimas
ácidos
lípidos
saponificables
ácidos grasos
nucleicos
l
insaponijicables
esteroides
termoplástícos
1ermoestables
nucleótidos
reciclables
no recidables
~
[
AON
ARN
codificación
po, adición
Polímeros naturales
los pollmeros 50n moléculas, generalmente orgMicas, de elevada masa molec:ular,
por lo que se conocen como macromolécu •
fas. Están formados por unidades estructu·
rales pequenas conocidas como monómeros. Según su origen, los polímeros pueden
clasificarse en: pollmeros naturales, los cuales proceden de los seres vivos, y polimeros
sintéticos, que se obtienen por slntesis en
laboratorios o procesos industriales,
Los polisa~ridos realizan
dos !unciones b.lsic.1s de los
se<es vi•,•os: so~ fuentes de
ene,gfa y SIM~n cOfflo
sostén a eslructuras de
019oni~,nos ~upenores como
las plantas. Por eiernplo, el
glucógeno es lo rcsciva
alirrentici.1 de los al'1ima!es.
Carbohidratos
los carbohidratos, también llamados hidratos de carbono o glúcidos,
están formados por carbono, hidrógeno y oxigeno. aunque también
pueden incorporar átomos de nitrógeno, fósforo y azufre. Su unidad
estructural son los monosacáridos. Según el número de unidades
monornéricas, los carbohidratos se clasifican en: monosacándos. oligosacáridos o polisacáridos.
los monosacáridos o azúcares son los más sencillos. Presentan en
casi todos sus carbonos un grupo hidroxilo (-OH), exceplo en uno
de ellos que presC<'lta un grupo carbonilo GC=O) como aldehído
(-CHO) o cetona (-CO-). De acuerdo al número de carbonos que
posea se denominan pentosas, como la rib0S<1 y desoxirribosa, y
hexosas, como la glucosa, fructosa y galactosa.
Las moléculas de los monosacándos pueden tener estructuras abiert.ls
o cerradas, Estas últimas se forman por una reacción entre el grupo
carbonílo y un grupo hidroxilo, llamada unión hem,acetáhca. Las uniones más frecuentes 50n las pentagonales o hexagonales, ya que son las
más estables, Por ejemplo, la forma cíclica de la glucosa:
H, ,,..O
e ~~
1,
H-C-OH
1,
HO- C-H
1,
M- C-OH
1,
1-1-C - O 1
1
(H¡OH
CH¡OH
. . ..HOO~
Notación abre•1iada
Los oligosacáridos son moléculas formadas por varios monosacáridos, entre 2 y 10 unidades. Los monosacándos pueden unirse entre
sí mediante una reacción de condensación y formar un enlace covalente llamado enlace glucosídico. Por e¡emplo. el enlace glucosidico
entre una molécula de glucosa y fruaosa para formar sacarosa es:
CH¡OH
fOºH
liOH_
¡v.º::--s
HO OH
H
H OH +
OH
a-glucosa
'~ ti~~ ºL' HOH2v º ~;
_l___
ttO~CH¡OH
OH
H
0
Ho ~
HÓ
o _ J ~ cH¡OH
H
OH
H
sacarosa
IJ.fructosa
Los disacáridos son el grupo más importante de oligosacáridos consti•
tuidos. por ~emplo, por la maltosa, sacarosa y lactosa.
Los polisacáridos se obtienen por la condensación sucesiva de
monosacáridos. Estos se forman sobre t O unidades de monosacáridos y pueden llegar a contener entre 100 y 90.000 unidades.
Algunos e¡emplos de polisacáridos son el almidón y la celulosa.
El aím,dón se encuentra como reserva nutritiva en las plantas. La celu•
losa es constituyente estructural de la pared de las células vegetales.
Monosacáridos
Disacáridos
Polisacáridos
Uno de los compo1entes La laetosa está formada
las semillas y raíces contienen atm:cón, en estos los anillos
de los azúcares de la
por la unión de dos anillos. se repiten 300 a 1.000 ,•e<es. l as es:,ucturas íi1J1osas de
fruta es la glucosa.
Esta se encuenva solo en las plantas es1.in formadas p01 celutosa. u~a molécula
la eche.
rneal de más de 2.000 ari los.
Lípidos y proteínas
Lípidos
Estructura de fosfolipidos
los ácidos grasos se ol>tienen por hidrólisis de lip1dos
s.ponificables. Están formados por una cadena hidrocarbonada
pola1e hidrofóbica que contiene en un extremo un grupo carboxilo
(-COOH) polar e hid1ofíl co, por ~to se 1~ considera moléculas
anfipáticas.
Los fosfolipidos poseen d0$
largas cadenas de ácido
g,aso. h drofóbicas y t.na
cabeza pola1, esto permite
que se agrupen formando
bicapas que generan las
membranas.
Formados por carbono <Cl. hidrógeno (H} y oxígeno (O) (en bajo porcen
taje}, y a 111!Ces por fósforo (P). azuf1t
(S) \' nitrógeno (N}. Son insolubles ef'I
agua pero solubles en disolvente,
orgánicos como el clo,oformo o benceno Segun tengan ácidos grasos o
no en su composición, se dividen en
llpidos saponificables, con ácidos
grasos en su estructura. y lipidos
insaponificables, sin ácidos grasos.
Lipidos saponificables
Existen lípidos simples como las ceras y los acrlglicéndos (o glicéndos)
que poseen solo C, H y O. Segun el numero de ácidos grasos, los ac1t
glicendos se clasifican en monoglicéndos, diglicérídos. y triglicéndos,
los que se unen por esterificación a una molécula de ghcer•ina. Los lipi•
dos complejos como los fosfolípidos y glucolipidos forman parte de tas
membranas.
Formación de trigliceridos
o
Cfl,
~):-cHz{rn1},rn3
OH H
CH, i-c-cH,fcH¡tCH¡
'"
CH- O
A~):-C1t¡{CH2l?)
CH¡-OH H~;c-cttr(cH1f.Hi
glicerol
Colesterol.
ácido graso
o
CH-0--~-CH¡{CH~H, + H¡O
o
CH¡-O--~-CH2{ctti];H,
triacilglicerol
agua
lipidos insaponificables
Por e¡emplo, los esteroides que derivan de un compuesto tetraclclico,
esterano; sus diferencias se dan por los distintos sustituyentes. Existe
gran varredad, pero cabe destacar a los esteroles como el colesterol, la
vitamina D. algunas hormonas como la aldosterona. el cortisot, la tes•
tosterona, estradiol y progesterona.
Proteínas
(a) L•aminoácido
Son macromoléculas fundamen1ales en la estructura y el funcionamiento celular. Están formadas por unidades monoméricas llamadas
aminoácidos.
Aminoácidos: estructura y características
Los aminoácidos contienen en su estruc1ura un grupo carboxilo
(-COOH). un grupo amino (-NH 2) y un radical orgánico (R). todos unidos a un carbono asimétrico (quiral). llamado carbono a , excepto la
ghcina.
(b) D•aminoácido
COOH
1
C···"NH2
/ '-.
R
H
La presenoa del carbono e,. permite dos posibles isómeros óp1icos. l y D.
coo1
•!:!.iN - C - H
1
R
la zona sombreada es fija en tocios los aminoácidos
R es variable.
Existen 20 aminoácidos diferenciados solo en los grupos luncionales
que ap0tta R. De estos 20, ocho son llamados aminoácidos esenciales
porque el organismo humano no tos puede sintetizar
las propiedades de los aminoácidos dependen de la estructura de los
,adicales. A temperatura ambiente los aminoácidos son solubles en
agua y poco solubles en disolventes orgánicos, la solubilidad aumenta
si el radical es polar.
Isómeros ópticos. la
estructura (a) tiene el grupo
NH¡ hada la izquierda.
llamada configuración l. La
esuuc1u1a (b) p¡esen1a el
grupo a la de1echa, llamada
confi(J'J1aóón D. En las
proteinas de los seres
,ovos solo se encuenua el
isómern L.
Como los aminoácidos esián en medio acuoso se establece un equihbrío en su forma iónica. Este equilibrio explica por qué los aminoácidos
, tienen un coml)Oftamiento anfótero, es decir, pueden actuar como ácidos o como bases. dependiendo del medio.
H
H
1
1
H
1
H¡N- c- coo-
1
•11iN-c-coo·
1
R
pH áci(fo
R
pH neuuo
R
pH básico
-113N-C-COOM
1
Dependiendo de la naluraleza del radical. su polaridad y carga, los
aminoácidos se pueden clasificar en: aminoácidos con R no polar, aminoácidos con R polar sin carga y aminoácidos con R polar con carga
positiva.
Nombrando aminoác.idos.
Por com•ención, los
aminoácidos se nombran
indicando las líes p1inl<!las
leuas de su nombre, por
ejemplo:
alanina
ala
Aminoácidos con R no polar
Alanina (Ala)
0 = aminoácidos esenciales.
Valina {Val)
Leucina (Leu)
lsoleucina (lle)
coo
Coo"'
1
1
+H 3N- C- H
-H 3N-C- H
1
CH¡
H-C-CH3
1
1
CH
CH2
1
/'
Hl
Fenilalanina {Phe)
Triptófano (T¡p}
Metionina {Met)
coo-
coa-
(00
-H3N- C- H
+H¡N- C-H
''H,N-C- H
1
o o
CH¡
coa
/'
+H2N CH2
1
C = CH
H
1/
e
CH¡
1
1
1
H2C-CH2
CH¡
1
s
\NH
1
P101ina (Pro)
1
1
1
CH3
CH3
CH3
Aminoácidos con R polar sin carga
Glicina (Gly)
$erina {Ser)
Treonina (Thr)
Cisteína (Cys)
coo-
coa-
coo-
1
coo·
+H3N-C-H
1
H
1
+H3N - C-H
1
1
'H3N- C- H
1
H-C-aH
1
CH2
1
1
OH
CH¡
• H3N -C- H
1
CH2
1
SH
lirosina {Tir)
Asparagina (Asn)
Glutamina {Gin)
(00-
coo·
coo~
1
1
H¡N- C- H
1
CH¡
o
1
OH
1
+H3N-C- H
r
CH2
1
e
/ °¾,
H2N
a
4
1
H3N - C- H
1
CH2
1
CH2
1
c
/ °¾,
H2N
o
Aminoácidos con R pol ar con carga positiva
Ácido aspáJtico
(Asp)
(lys)
coo·
1
coo~
1
· H3N-C-H
* H3N-C-H
co~
•H3N-C-
Lisina
Ácido glutámico
(Gluo)
Histidina
(His)
coa1
coo·
1
C- l-1
• H3N-C-H
CH¡
+ N
1
1
CH¡
CH¡
CH1
CH2
coo·
CH2
CH 2
CH2
coo·
CH¡
CH2
ÍI-N)cH
NH
HC- NW
1
1
Argjnina
(Arg)
1
1
1
1
1
CH¡
1
NHj
1
1
1
1
1
1
C = NHi
1
NH1
Enlace
peptidico
~
,,,..
·..
..,
-a~.•,, •·Jº
A
J-
La unión de dos aminoá-
Modelo molecular del enlace peptídico.
En el enlace pep~dico solo es posible la l'bre
rotación de los carbonos señalados con Rechas
rojas. El grupo Rde uno de los amínoáddos va
hacia delante y en el otro hacia atrá~ lo que
d sminuye el efecto estérico enue ellos.
cidos se produce a través
de un enlace peptídico.
Este enlace se produce entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el 1
grupo amino del otro, formándose una amida y una molécula de agua.
La molécula originada se llama dipéptido, porque tiene dos aminoáci•
dos; si tiene tres se llamará tripéptído, y así sucesivamente. Si la masa
molecular del polímero es menor a 10.000 unidades se llamará poli·
péptido y, si es mayor, proteína.
R
1
,,,.e, ;O
H,
N
¡.(
M
H,
.-o
H¡O
I C' OR ,.,-N,c,,-C,
I OH
H
1
tt
1\,
Al comienzo de la cadena polipeptrdica queda un grupo amino libre y,
en el otro extremo. un grupo c;irboxilo terminal.
Algunos polipépt,dos son: la hormona oxitocina que estimula la conuacción uterina en el parto; la antidiurética, que aumenta la reabsorción renal del agua (re1iene agua). y la insulina re<Juladora del metabo•
lismo de la glucosa
Secuencia de la oxitocina
lle - Tir - Cys
1
1
Gluo-Asp-Cys-Pro-leu- Gty
La ~e<ificidad de una
prote!na no solo depende del
número y tij)O de aminoácido.
sino también de la secuencia
ysu estructura.
Estructura de las proteínas
En 1939. Linus Pauling (1901 -1994) y Robert Corey (1897- 1971) mi
ciaron estudios para determinar la estructura tridimensional de las protelnas, es decir, la disposioón espacial de los aminoácrdos. llegando a
la conclusión de que existen niveles en las estructuras de las proteinal.
Estructura primaria. Es la secuencia lineal de los aminoácidos que
forman la cadena peplldica. Indica que aminoácidos componen la
cadena y en qué orden ~ encuen11an. El orden en que ,an los
am111oácidos viene determinado ge~ticamente. Por ejem~lo, un
polipéptido podila tener la estructura primalia:
Estructura secundaria. Es la
forma en la que la ~cuentia
primaria puede plegarse sobre si
misma. Está condicionada por la
formación de puentes de hidrógeno
entre tos grupos -NHde un enlace
con el oxígeno de 01ra unión
peptidica. Puede adoplar dos
formas diferentes: a-hélice, que
tiene fo•ma de espiral, o
JI-lámina plegada, que tiene una
f01ma de iig-zag.
Hfl - ser-gly-ala- COOH
P.,..te1de
hidrógeno
Esuocrurasecunc,ana
<x•Ml<t
Estructura terciaria. Se fo,ma por
la interacción entre los radicales de
los aminoocidos que forman el
esqueleto de la pmteina,
permitiendo un ma)'Or grado de
plegamiento hasta adoptar la forma
tódimensional caracteristica.
Pueden w globulares o fibrilares.
Estructura cuaternaria. Se
presenta en proteinascon más de
una cadena polipeptidica. formada
por varios grupos de polipéptidos,
llamados subunidaóes. Por ejemplo,
la hemogloblina. que presenta
cuatro cadenas polipeptidicas.
Colégeno
Hemoglobna
G1upo hemo
Funciones biológicas de las proteínas
las proteínas cumplen diversas func,ones biológicas, esto se debe a
que representan, por lo menos, el 50% del volumen se<o de la mayor
parte de los 0<9anismos.
Función estructural.
Las roonbranas
plasmáticas y muchos
de los tejidosestán
formados pot
p1oteÍJ\3s que actúan
como filamentos de
soporte, confiriéndo'es
fuerza y protegiendo las células y los tejidos. Por
e;emplo: la queratina que form.i el pelo y las ui\as.
Función contráctil.
Algunas proteínas
petmiten que las
células o
determinados
organelos se mue\•an
o cambien de forma. Poi
f
1
ejemplo, la cootracción ce
los músculos se produce por la
interacción de las fibras miosina y actina,
Función de transporte.
Algunas protelnas
uansponan sustancias
en los líquidos
extracel,lares y otras
por las membranas
plasmáticas. Por
ejemplo, en los
glóbulos ro¡o~ la
hemoglobina uanspo·ta el
oxígeno a los tejidos para que se produzca la
oxidación de los nutrientes.
Función hormonal. H.ly
proteínas que pe,miten
regular 'a actMdad
fisiológica y
metaoo!1ca de las
células. Por ejemplo,
la hoimona tiroxina
(aminoácido
lllodificado) que regula los
procesos metaból,cos en las
células. La disminución de esta hormona provoca el
bocio, que es el aumento de la tiroide para compensar
la demanda cocporal de la hormona.
Función de defensa. Algunas p,oteínas defienden
al organismo ante una agresión o invasión externa.
Por ejffllplo, los anticuerpos que son proteinas
ptoducidasen los glóoolos
blancos que peimiten
1econocer y neut1ali2a1
bacterias y virus.
Función enzimática. Muchas proteínas globulares
permiten acek!rar la velocidad de las reacciones
químicas, actuando como catal~adores biológicos. Por
ejemplo, la pepsina que rompe
las prote'nas en péptidos
pequeños o la renina
que separa la leche en
fracciones liquiclas y
sólidas.
GlóbulO blanco
11
Enzimas
Modelo llave cerradura. El
modelo llave cenadura
explica la acción de una
enzima (E). la que ocurre por
di•,•ersas etapas: desáe q1re se
acopla el sustrato (S),
pasando po, la formación
del complejo enzima-sustrato
UES]). hasta la fo,mación del
producto.
Cofactores enzimáticos
Iones
Moléculas
ír>orgánicos orgánicas
Mg2• FMN y FAO (')
Mn2•
Cu1•
Zn2•
CoeozimaA (")
MAO' y
MAOP (' ..)
Moléculas orgánicas
derivadas de:
(') vitamina 82.
(' ') •1itamina 83.
,·itamina 85.
(.,.,.) 1
Las enzimas son proteínas comple¡as que aclúan como catalizadores
biológicos acelerando las reawones químicas dentro de las células, son
que se produzcan cambios en ellas. Esto ocurre por la disminución de
la energía de activación.
Propiedades de las enzimas son:
ser altamente espe<:íficas, ya que se unen a un sustrato propio.
actúan en oajas concentraciones.
no se consumen en la reacción, por lo que se pueden reuI1lizar.
no alteran el equilibno de la reawón.
aceleran las reacciones que pueden ocurrir espontJneamente.
Estructuras de las enzimas
Las enzimas están formadas por am,no~cidos, tienen una organización
terciaria y poseen un sitio activo donde se une el sustrato. ES1e sit,o
activo contiene los grupos luncionales a los cuales se une el sustrato,
por medio de un,ones in termoleculares. efectuándose la catálisis. Su
conformación espaoal y su carga eléctnca se complementan con la
forma del sustrato, lo que asegura la formación del complejo enzimasustrato.
Algunas enzimasson protefnas simples y otras con¡ugadas; estas últ,mas
tienen un grupo prostético a1 que se le llama coenzima o cofactor y una
parte proteica llamada apoenzima. la cual es inactiva si no est~ asociada
a su grupo prostético. Al complejo formado por ambas subunidades se
le denomina holoenzima.
Cinética de las reacciones enzimáticas
La velocidad de la reacción se incrementa rápidamente a medida que
aumenta la disponibihdad del sus1ra1O, esto se produce hasta que lodos
los sitios activos estén ocupados. Por encima de este punto, un aumen•
10 en la cantidad de sustrato no afectará la velocidad de reacción; esta
depender~ de la rapidez con que se destruye el intermediario.
Factores que afectan la actividad enzimática
La actividad enzimática depende de factores como:
pH. Las enzimas actúan dentro de un estrecho rango de pH, conoc,do como pH óptimo. El rango de pH dependerá del lugar donde se
encuentre la enzima, por ejemplo, las enzimas gástricas actúan en
torno a un pH de 1,5 a 2. Cuando la enzima sate del rango de pH
óptimo, se desnaturaliza y deja de actuar.
Temperatura. El aumento de la temperatura provoca un aumento en
la velocidad de las reacciones. sin embargo, esto se produce hasta
ciertos lfm1tes. aproximadamente de 45 ºC a SS ºC: sobre estos limites la mayorla de las enzimas se desnaturalizan, ya que se rompen
los enlaces que mantenían su estructura terciaria.
Velocidad
de reacción
pHt óptímo
Factor de pH. El máximo de
la roo,a c011esponde vi pH
óptimo, donde la enzima
ak.inza su máxima actividad,
a pH exlremos se
desnaluializa ( +- ➔).
lnhibídores. Los ,nhibido,es
1ambién pueden ser susMncías
e.xternas, como 1~ ,.,enenos o
metales pesados, que interfieren
el conlacto emre la enzima y el
lnhibidores enzimáticos
Los inh1bidores son componentes celulares que permiten controlar las
reacciones disminuyendo o eliminando la actividad enzimática. Entre
los tipos de inhibición están las competitivas y las no compehhvas:
su~t,ato.
Competitivas. En este caso, el
Estructuro
Inhibición
inhibidor y el sustrato compilen
de la enzima
competitiva
por la unión con el sitio activo
de la enzima.
No competitivas. En este caso,
el inhibidor con las enzimas fo·man una in1eracci6n cercana al
lnhlO«lo1
sitio activo. sin modificarla irre•
vel5iblemente.
Inhibición no
competitiva
,,h
Ccn'JOCf
1eg1.laciÓ"> a¾>sté1i<.1
pH
El inhib,dor compe1i1ÍI'()
bidoe a1011e1ico
ocupa el centro activo.
El SU1l1a10 no puede
Cambia la fo1ma del
u1i1se a la enzima.
ce11tro acfü-o.
'
Ácidos nucleicos
Púric:as
<Ó
1
Los ácidos nucleicos son macromoléculas de g,an complejidad estos
son: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN).
Estos ácidos tienen dwe,sas funciones, entre ellas almacenar la información genética y 11ansmitirla a sus descendientes. asl como la sinte•
sis de protelnas. Un ácido nucleico está formado por unidades monoméricas llamadas nucleótidos.
H
Menina (A)
Guanina (Gl
Pi,imidínicas
NH¡
(t
1
Nucleótidos
Están íormados por:
una base nitrogenada heterocíclic:a. En el ADN se encuentian las
bases nitrogenadas adenina. guanina, citosina y timina. En el ARN la
timina se sustituye por el uracilo.
una pentosa. En el ADN es la desoxirribosa. En el ARN, la ribosa.
,.
,.
Oase
Base
M
OY.º~,
H 0 ~ 0 ~1
tt~H
H~fi
OH
H
OH
Oesoxirribosa (ADN)
OH
Ribosa (ARN)
0
H
Cilosina (C)
un grupo fosfato. Una molécula de ácido fosfórico se une a una
pentosa.
OH
1
HO-P--OH
1
o
Ácido fosfórico
OH
Base
1
f.1:0
1
H
HO-P-()-{02
O
11
0
H H
OH
H H
OH
Grupo fosfato (ADN y ARN)
Uracilo (U)
Cuando se une una base nitrogenada a una pentosa. el producto se
denomina nucleósido. Si el nucleósido reacciona con et ácido fosfórico. se origina un nucleótido.
Funciones de los nucleótidos
Algunas de las funciones que cumplen los nucleót1dos son:
transportadores de energía, el ATP (adenoSfn trifosfoto).
mensajeros intracelulares, AMPc, que se forma en el lado intracelular de la membrana plasmática.
coenzimas. las derivadas del dinucleótido de nicotinamtda y adenina, como el NAO y NAOP, los derivados de la flav1na (FMN y FAD) y
la coenzima A.
Polinucleótidos: modelo de la doble hélice
La estructura del ácido desoxirnbonucleico (AON) está cons1ituida por
dos cadenas polinucleóudas enrolladas alrededor del mismo e¡e. formando una doble hélice dextrógira. las cuales no se pueden separar sin
desenrollarse previamente. Caraaerist1cas de la estructura son:
las dos cadenas son antiparalelas, es decir, se enfrenta el carbono 3'
de una con el carbono S' de la otra.
el esqll<!leto se sitúa en el extenor de la hélice. con los grupos fos•
lato, dispuestos hacia afuera.
las bases nitrogenadas se proyectan hacia el interior de la doble
hélice. Las bases nitrogenadas de ambas hebras están enfrentadas
formando puentes de hidrógeno entre ellas: dos entre la adernna y
la timina (A=l) y tres entre la guanina y la crtosina (G~C).
Transferencia de la información genética
Para que la información genética pase desde la célula madre a cada
célula hija, debe pasar por una serie de etapas. estas son:
Replicación: proceso de duplicación del AON antes de cada div,s1ón
celular. Es semiconserva1ivo, es decir, requiere de una hebra antigua.
llamada hebra molde, para la síntesis de la hebra nueva, asegurando que el ADN resuhante es exactamente igual al inicial.
Transcripción: a través de es1e proceso se sintetiza una cadena de
ARN a partir de la secuencia
Comparación entre
nucleotld1ca de un gen.
polinucleótidos
Traducción: lectura del ARN
AON
ARN
lormado en la 1ranscripc16n, para
generar una proteína.
Desoxinibosa
A=T
Ge(
R>sfa10
Moce'o de AON
Ribosa
A~U
G=C
klsfato
ARN. El ácido tibonudeico se
sinrctira a partir del ADN, y
se encarga de realizar la
sintesis de proteir,as.
Polímeros sintéticos
los polimeros sintéticos son macromoléculas creadas por el hombre
mediante reacciones orgánicas de polimerización a partlf de molécula,
simples. los monómeros. la estructura obtenida es de gran tamallo y
sus propiedades son muy diferentes a la molécula inicial.
Estructura molecular de los polímeros
De acuerdo a los tipos de monómeros que forman la cadena del pollmero, estos se clasifican en: homopollrneros y copolfmeros.
Homopollmeros. Son macromoléculas que están formadas por un
solo tipo de monómero. Por e1empfo. se encuentran los homopolmeros sintéticos como el pohetifeno y el PVC y. los homopolimeros
naturales como la celulosa y el caucho. Su estructura general será:
nM
(-fvf-M-M - M-M-).,
Copolimeros. Se forman por la unión de dos o más unidades monoméricas diferentes. Por e¡emplo. se encuentran los copolímeros sin•
tét,cos, como el dracón. Su estructura general será:
El na'lo1 es un copollmero
n M + mC
q,e se obtiene p01
coodensación de la
l,6•r exanodiamin.1 y el ácido
hexanod,oico.
11
(-lv'I-C-C- M- C- C-)0
De acuerdo a la secuencia de los monómeros. los copolímeros se d,v,den en:
copolimeros alternados
copollmeros al azar
copolimeros en bloque
copolimeros Injertados
Disposición espacial de los polímeros
Atendiendo a su estructura molecular los
polfmeros pueden ser:
lineales: se forman cuando el monómero que lo origina hene dos centros de
ataque, de modo que la polimerizaci6t1
ocurre un1direwonalmente y en ambos
sentidos.
ramificados: se forman cuando el
monómero que lo origina tiene tres o
más centros de ataque, de modo que el
crecimiento del polímero ocurre en las
1res dimensiones del espacio.
Dasposia ón espacial de los
pollmeros.
Los enlaces entre cadenas poliméricas se denominan entrecruzamientos. Estos se pueden producir en el mismo proceso de síntesis, o adi·
cionando pequenas moléculas que los faciliten.
Propiedades mecánicas de los polímeros
Muchas de las propiedades de los pollmeros dependen de su estructu•
ra, as! esMn los blandos y moldeables, o rígidos y fr~g1les.
Resistencia. Es la medida de la
tensión que se necesita para
romper un pollmeio, es decir, la
capacidad ~u• tienen de soportar
una tensión sob,e ellos sin
modifica, su es1ruc1ura o de no
estifa1~ con facilidad.
Dureza. Según la du1eza se
clasifican en rígidos, cuando
tienden a ser 1esistet1tes,
prácticamente no se deforman y
se quieb,an con facilidad, y
flexibles, cuando sopoJtan la
defo,mación y no ~ ,ompen
con facilidad.
Elongación. Capacidad de un
polímero de estirarse sin
,ompe,~e. Los polfme1os
llamados elastómeros se
puedeA estirar hasta en un
1.000% 1e<uperando su forma y
tamallo nidal.
•
Proceso de polimerización
las reacciones de sfntesis de pollmeros siguen dos mecan,smos, estos
son: la polimenzacrón por condensacrón y la polimerización por adición.
Polimerización por condensación
la formación del porrmero se produce cuando dos monómeros que
poseen al menos dos grupos func,onales. reaccionan entre sf, liberando una molécula peque,i a, 11onnalmente agua. La masa molar del polimero no es múllrplo exaclo de la masa molar del monómero que forma
fa macromolécula.
Este tipo de pohmerización ocurre por un mecanismo en etapas, es
decir, cada reacción es independiente de fa precedente, ya que los
monómeros reaccionan unos con otros para dar dímeros. trlmeros, olrgómeros. y largas cadenas. como son las fibras textiles. E¡emplos de
polímeros de condensación son: pohuretanos, poliamrdas. pohésteres y
polietilentereftalatos (PET).
Reacción por condensación del dracón
o
o
"O"
CH¡- 0- C '
C-~H3
Tereftalato de dimelilo
+
CH¡-CH¡
1
Oli
1
OH
etilenglicol
Oracón
El dracón se uli&za pam fabricar fibras que no se anugan y envases.
Polimerización por condensación del nailon
hexametilendiamina
11
ácido adí:)ico
nailon 66
Polimerización por adición
Los polímeros de adición se obtienen por una reacción en cadena.
Según el reactivo intciador, estas pueden clasific,1rse en: polimerización
catiOnica, anión,ca o radicalaria.
Cada una de las polimerizaciones se caracteriza por presentar una:
iniciación. en la que participa una molécula como reactivo, conocí•
da como iniciador.
propagadón. donde la cadena com,enza a alargarse por adiciones
sucesivas de monómeros,
terminadón, la cadena deja de crecer por el agotamiento de monómeros.
Polimerización catiónica del propileno para formar polipropileno.
El extremo por el cual se alarga la cadeM es un catión (elernófilo).
lnioadón
H CHJH CH¡
Propaga<ión
1 1
1 1$
1 1
1 1
H-C-C - C- C
H H H H
Tenrinación
►
Polimerización aniónica del etileno.
El in•ciador es un reacti-10 fuertemente nucleófilo. es decir, af/n con un sus1Tato defioente en elect10ctes.
HH
1
1
1
1
► A-(-CE> + Afl
Iniciación
HH
-
HH
1 1
Propaga<ión
A-C-CH
1 1\
HH
Terminación
ij
H
1111
1 li1
A -C· C-Cfl
1 1 1\
H 11 ( H H
:r ""
'
+: Li "'
./
HHH H
1 1 1
1
A-C-C-C-C®
-
1 1
1
1
HH H H
(H
l.' H1~ H1 H1
Af -C C- C-li
lHH,l• H
Polimerización radicalaria del etileno para producir polietileno.
El proceso se inicia cuando los enlaces del monómero se rompen homoliti<amente por la acción de un
<atalilador, es decir, formado radica'es lib,es. Los rad"cales libres ,eacciooan con otros monómeros con enlaces
múlliples, dobles o t<iples. sin Ibera, otras molkulas simples. Por ejemplo: la reacción polime,iuición
radic.ilaria del etileno.
Iniciación
Q·
H
\
/
I
\
H
HH
-► ñ\_{-{ Y'H H
H
o
HHH
1 1 H
1 e..,, ..~ q➔1 ftHH
1 1 t
--C--C--C • -►
C-C C--C ·
H H
HH
Propagación
H
C=C
+
Q-{-1·
\
I
+ IC=C\ -
1 1
H H
HH
1 1 1 1
HH HH
HH I H
H HtH Hl o {
11 1 r o
HH H
·ii
f-~H ,
o
~ o
H HiHHH H~H ~
{ - { { - { - {~ { -{
HHHH H H H
►
o
1 1 H
1
1
1 H
1l o
~ H1 H~i
H
C-C --C-H ~ C=C· - C
1 1 1 1
1 1 1 1
HH HH
H HHH
1. Representar la reacción de polimerización del polivinilo (PVC) y clasíficarlo, si se sabe que su
monómero es el cloruro de vinilo (cloroeteno), C2H3CI.
H
\
/
/
\
H
P1ime,o, se esc,ibe la fórmula estructuial del mon6me,o, a part11 de su fórmula molecular: C=C
H
O
Luego se define el tipo de polimerización que debería ocvrrir, en este caso, ocune una adic,ón, donde se
,ompe el enlace n carbono-carbono, permitiendo forma, enlaces con wos átomos.
Finalmente. se escribe la ecuación de polimeiilación y se clasifi<a el pollmero.
11
H
11 H
H
HH ~ HHH
\./
\./
\/
1 1 11
/\
,'\
/\
1 1
1 1
+C=C + (=C + C=C +···- - ··C--C-C- C--C--C -·
11
CI i
Cl H
El PVC es un homopollmero lineal de adición.
CI
1 1 1 1
H C H CI H CI
Plásticos
un plástico es todo material que se deforma cuando se aplican fuerias
relauvamente débiles sobre él, a temperaturas moderadas. Los plásti•
cos pueden ser moldeados en alguna de las fases de su elaboración.
Según su capaodad para fundirse, se pueden dividir en:
Termoplásticos
Son materiales ,19,dos que pueden fundirse y moldearse muchas veces
por acción del ca!OJ', recuperando sus propiedades originales al volverse a enfriar. Son reciclables. Por ejemplo: el polietileno y poliestireno.
Polietileno. Se foi ma por la polimerización por
adición del etileno, según:
Poliestireno. Es un n1ate1ial lige,o muy utilizado en
accesorios de cocina.
\=e~ - [ti]
I
1
\
1
H
H Hn
Eti'eno
Po'ietileno
H
Termoestables
Son materiales rígidos, frágiles y con alguna resistencia térmica. No
pueden volver a moldearse por acción del calor, ya que la sol,dificación
tras el calentamiento inicial. ongina sólidos más rígidos que los iniciales. No son reciclables.
Cloruro de polivinilo (PVC). Se forma por la
polimerización p<l' adición del cloroeteno.
\=/-► ·[i11
/
\
H
CI
Cloroeteno
1 1
M CI n
PVC
Caucho natural y sintético. En el proceso de
wlcan'zación el azufre actúa COQ10 un aglutinante de
las cadenas embonadas uniendo dilerentes cadenas
de pollmems hasta formar una sola molécula.
Codificación de polímeros y siliconas
Codificación de polímeros
Para poder identificar los diversos tipos de polímeros, los fabricantes
desarrollaron un código de identificación internaoonal. hte sistema
identifica los seos polímeros más usados en la fabricac,ón de casi todos
los productos conocidos.
Polímero
Características
Usos
• Veosátil.
• Envases de alimentos.
• Botellas.
• Fib,as textil<?s.
· Blanquecino.
• Semiopaco.
• Rígido.
• Versátil.
• Comenecto,~
· Mamaderas.
PVC
Cloruro de
polivinílo
• Resistente al calo,.
. Impermeable.
- Tuoo,ías.
• Envases.
• lmperrnea~les.
PEBO
Polietileno de baja densidad
• Blanquecino.
• Blando.
• Flexible.
• Versátil.
• Bolsas de embalaje.
• Co111enedo1~
- Aisl.Jntes para cables elécuícos.
• Resistente al calo,.
• Impermeable.
• Envases pa,a alimento~
• Alfombra~
• Econ6m'co.
• Resistente.
• AíslanIes.
• Cubienas de computatiooas y
otros elewodoméslicos.
PET
PoliElilenlereftalato
PEAO
Polief leno de alta densidad
pp
Polip,opíleoo
PS
Po iestireno
1
Código
/\
tJ~
PET
/).
t..2~
PEAD
/).
L.3~
PVC
/'J,
L.~
PEBO
Polímeros inorgánicos: Silicon as
Son compuestos de naturaleza inorgánica,
es decir, no poseen carbono en su
cadena principal. Las s1hcoll<ls
conhenen silicio como compo-,
nente inorgánico y radicales
alqullicos como componen te
orgánico, los <1ue se forman
cuando un alcano pierde un
hidrógeno. la unión se hace a través de puentes de oxigeno. Las s1liconas tienen la , es,stencia térmica y
m~n,ca de las sustanc,as inorgánicas y
la flexibilidad de los compuestos orgánicos
Su esuuctura general es:
Resinas y cauchos de
silicona. Las 1esinas y los
cauchos de silico11a son muy
utilizados hoy en dla; se
pueden encontra, como
sellantes de ventanas, y hasta
en los cropetes.
R R R R R
1
1
1
1
1
R-Si-O-Si-O-Si--0--S i--0--Si- ·
R
A R k R
Donde:
R puede ser: - CH3, - CHrC H3, -CH=CH2,
-o
La variación de los radicales (- R) permite diseñar siliconas con diversas
propiedades. En general son inodoras. incoloras, inertes, de alta temperatura de inflamación y no se mezclan con agua. Las siliconas lineales son líquidas y se usan como impermeabilizantes o lubricantes. Las
siliconas ramíficadas se denominan resinas, actúan como gomas elás11cas, utilizadas como aislantes eléctncos.
1
CH¡ CH¡ CHz CH¡ CH2
1
1
1
1
1
J
J
- Si--0--S>--0-S...O-Si-O-Si-· ..
1
1
CHz CH¡ Cfl1 lM¡ <.H¡
( Hz CHz CH2 CHz (Hz
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
.. -Si--0--S>--O-S'--O-Si-O-Si- •
CH¡ CH¡ Cfl¡ CM¡ CH¡
1
Ejercicios
1. Indicar la diferencia entre un polfmero
natural y un pollmero sintético. Dar dos
ejemplos.
2. Definir los siguientes conceptos:
a. carbohidratos.
b. lípidos.
c. proteínas.
9. ¿A qué polímero corresponde la sigla PEBD
y qué uso se le da a estos plásticos?
10. ¿En qué consiste el proceso de
vulcanización?
11. La sacarosa se forma cuando reacciona una
molécula de glucosa con una de fructosa,
según la siguiente reacción qulmica:
3. ¿Cómo se forma un enlace glucosídico 7
4. Nombrar las principales funciones de los
lfpidos.
S. Dibujar la estructura común a todos los
aminoácidos.
a. ¿Es una reacción químicamente
balanceada?
b. ¿Qué debe ocurrir para que se produzca
el enlace glucosidico?
c. ¿Qué se debe agregar para romper la
molécula de sacarosa?
6. Dar nombre a los siguientes aminoácidos:
12. ¿De qué depende la especificidad de una
proteína?
13. ¿A qué tipo de estructura corresponden las
siguientes caracterlsticas:
b.
coo-
'
+H¡N - C-H
a. Pueden ser globulares o fibrílares.
b. Tiene dos formas. una de ellas es
a-hélice.
c. Formada por varios grupos de
polipéplidos.
d. Est~ determinada genéticamente.
1
H
7. Indicar y describir las siguientes funciones
biológicas de las proteínas:
a. estructural.
b. contráctil.
c. transporte.
8. ¿Qué características tiene un termoplástico?
14. Indicar a qué estructuras corresponden las
letras A, By C dentro del ADN : un azúcar
(desoxirribosa), grupo fosfato o base
nitrogenada.
c
15. Una de las reacciones más empleadas en los
laboratorios químicos para obtener
polímeros sintéticos es la reacción de
condensación. Según la ecuación general:
R-COOH + R'-OH -> R-CO-OR' + HzO
¿cuál es su principal característica?
t 6. Indicar la estructura del poli mero resultante,
si se tienen los siguientes mon6meros:
a. et1leno: CH 2=CH2
b. cloruro de vinilo: CH¡=CHCI
c. es~reno: CH 2=CH-@
d. tetra1Iuoroeteno: CF¡ =CF¡
Solucionario
1. Los polime<os naturales proceden de los seres vivos. por ejemplo. las proteínas y los ácidos nucleicos. Los
siméticos se obtienen por síntesis en laboratorios o procesos indusuiales. P°' ejemplo, el nailon y los plásticos.
2. a. Están formados por C. Hy O. Su unidad estructural son los monosacáridos. Como po isacáridos tie.-.en dos
funciones: se1vir de sostén a lasestructuras superiores y como fuente de energía. b. Están bmados por C, Hy O
(en baio porcentaje). son ínsolubles en agua pero solubles en diso~ientes 0tgánicos. forman pane de
membranas. c. Son fundamentales en la estructura y el funoonamiento celular. Están fo,madas por aminoácidos.
que contienen un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (- NH2) y un radical orgánico (R).
3. Se forma entre el grupo OH de una azúcar y el hidrógeno de otra, donde un átomo de oxigeoo sirve de puente.
4. Reserva energética, aislante térmico y formando pane de la membrana celular.
5.
COOH
r
H¡N-C-Rt
1
R2
6. a. Triptófano. b. Glicina.
7. a. Actúan como filamentos de soporte, confiriéndoles fuerza yprotegiendo las celulas y los tejidos. b. Permiten
que las células o deteiminados organelos se muevan o cambien de forma. c. TranSpOt1an sustanciasen los
líquidos extracelula,esy por las membranas plasmáticas.
8. Son materiales rigidos a temperatura ambiente, pero blandos y moldeables a altas temperaturas. Por lo que
pueden fundiise y moldearse varias veces sin que cambien sus propiedades. Son reóclables.
9. Es el poi e1íleno de baja densidad. Se util'za en bolsas de embalaje y contenedore~
1O. Es el proceso mediante el cual se trata la goma natu,al coo azufre para mejorar sus prop'edades,
11. a. l a suma total de átomos en los ieactantes es: 12 C, 24 H y 12 O. En los productos hay 12 C, 22 H y 11 O.
f"or lo tanto, faltan dos H y un O, es deór, una molécula de agua. b. Se debe liberar una molécula de agua.
c. Para romper la sacarosa se debe agregar una molécula de agua y una enzima.
12. Depende del número, tipo, secuencia y estructura de los aminoácidos.
13. a. Terciana. b. Secundariil. c. Cuatemaiia. d. Primaria.
14. a. Grupo fosfato. b. Azúcar. c. Base ni11ogenada.
15. Una reacción de condensación implica, en cada paso, la fo,mación de una molécula de agua, y tiene lugar entre
los grupos funcionales reactivos presentes en los monómeros.
16. a. polietileno: (-CHr CH¡-I, b. PVC: (-CHr(;H-10 c. poliestfreno: (-CHr(;H- ]0 d. PTFf: I-CF¡-CF1-ln
CI
©
11
Capitulo
12
Farmacología
uscar diferentes formas de curar las enfermedades ha sido
.,_,. motivo de ~ludio desde tos primeros tiempos. En un princi•
pio, era común utilizar productos naturales, como jugos o sustancias
extraídas de tas plantas. Gon et correr del tiempo, alrededor del siglo
XV, aparece un período de la historia conocido como latroquímica,
en el que se comenzaron a hacer preparados y pastas con productos
químicos, por ejemplo, al utilizar sustancias de origen metálico, el
akohol y el opio.
Actualmente, la industria farmacéutica se encarga de elaborar sintéticamente los rnedicamentos, los cuales ser~n especlf1cos para atacar las _
enfermedades. También se el\Carga de investigar y buscar diversas sustancias para crear nuevos medicamentos y asl estudiar el origen y composición qulmica de los principios activos que lo formar~n. para luego
aplicarlo en el tratamiento de una enfermedad.
■ Organización de los contenidos
Farmacologia
origen
vías de administración
farm.icodin.1mia
farmacodependencia
recep,Ofes
natural
sintético
absorción
distribuóón
farmacológ,cos
metabolismo
'-T
~OIT~í~I
agonista
____J
I
fármaco
antagonista
1e1ap,a
génica
tolerancia
dependencia
difusión
endocitosis
mecanismo de
a,ción
mecanismo de
transpoíle
11
hábito
L
enii ~
IJ Farmacol ía
Un fármaco actúa
principalm<?nte corrigiendo
las alteraciones químicas o
biológicas que se p,oducen
en los órganos. Sin embargo.
su acción puede se, pos¡tiva o
nociva.
La farmacologla se encarga de estudiar los efectos y las propredades de
las sustancias químicas en los organismos vivos. entendiéndose por
sustancia qulmica una droga, fármaco o principio activo.
Un fármaco, droga o principio activo es toda sustancia química, orgá•
n1ca o inorgánica, simple o compuesta, natural o sintética. que:
■ en sentido amplio, es capaz de interactuar con un organismo vivo.
■ en sentido más estricto, de acuerdo a sus propiedades químicas y
fls1cas. es capaz de recuperar o modificar la función original de las
células. tejidos y órganos alterada por una enfermedad; además.
puede utihzarse para la elaboración de medicamentos, en medios
de diagnóstko, en productos para la higiene y cosméticos, entre
otros.
La farmacología abarca muchos aspeaos. desde ef estudio de la natu·
raleza química de los fármacos hasta la acción fisiológica de los medi•
camentos en el organismo. como es su absorción, distribución. biotransformación y eliminación.
Excipientes. Son sustanóas
que acompañan a los
fármacos en la constitución
de un medicamemo. No
tienen acción farmacológica.
Med icamento
Un medicamento es un fármaco, droga o principio activo, que debidamente producido y según su forma farmacéutica y dosis. puede ser uti•
!izado por los seres vivos para la curación, tratamiento, prevención o
diagnóstko de una enfermedad.
4
1 Forma de venta.
2 País de origen.
3 Nombre comercial.
(i")
(s)
J~
4 fármacos que componen
el medicamento.
5 Cantidad que contiene
el envase.
6 laboratorio de Oligen.
7 Formalidades legales.
8 Composición química.
9 Forma farmacéutica.
. 9\ .
\.:./
11
1
Objetivo de la farmacología
Su principal objetivo es beneficiar al individuo. ya sea mejorándolo o
previniendo alguna posible enfermedad, lo cual se logra con un conocimiento acabado de los efectos que producen los fármacos, cómo
actúan en la patologfa del paciente y qué problemas puede provocar
su consumo.
El desarrollo de la química. la fisiología y la bioquímica han permitido
aislar productos activos de fuentes naturales, diseñar y sintetizar nuevos compuestos, analizar sus efectos en los organismos vivos y conocer los procesos que siguen en el interior del organismo. Esto ha signi•
ficado un gran desarrollo en la producción de fármacos con actividad
terapéutica.
La actividad biológica de los fMmacos uae consigo el riesgo de la toxi-
cidad. No hay ningún fármaco que no la posea en mayor o menor
grado.
La farmacologfa tiene varias ramas cuya importancia en la práctica de
la terapéutica es variable.
,\DME = absorción (A),
distribución (0),
metabolismo (M) y
excreaón (E).
Vd = volumen de distribución.
1J = ,i da media de eliminación.
,.
Estas ramas son las siguientes:
Subdivisiones de la farmacologla J
[
Farmacognosia
]
Tecnologla
farmac~ulica
Farmacodinamia
Farmacocinética:
ADME
Farmaooquimica
1
• fá•macos.
• Vege1ales.
. Animales.
. Minerales.
· Sintéticos.
• Formas
íarmacéutica5.
• Industria
farmacéutica.
· Mecanismo de
acción.
• EíeCt0$
farmacológicos.
· Vd
•t1
,.
• 8iodispooibilidad.
• Relación
estructura
química-actividad
farmacológica.
El
Origen de los fármacos
Los fármacos, drogas o principios activos de los medicamentos
tienen orígenes muy diversos. ya que pueden set naturales o
sintéticos:
rnioa'm~nte la in.suhna
porona se obtenia del
p/,1,creas del cerdo, hoy se
sintet,za po, medoo de
tkni<as de mg~nie,ia
genél1Ca.
Fánmacos naturales
Entre los fármacos naturales se encuentran los extraídos de:
animales, como la insulina porcina, hormona utilizada en el
tratamiento de la diabetes mellitus tipo 11.
• vegetales. como las hojas de té que contienen cafeína y teo·
filina, drogas estimulantes del sistema nervioso central. La
mayor extracción de principios activos se produce de los
vegetales.
minerales pVnficados, por ejemplo, el sulfato de magnesio
usado como laxante.
Fármacos sintéticos
Son creados sintéticamente en los laboratorios a partir de un fármaco
llamado cabeza de serie, del cual, mediante la adición, sustitución o eliminación de restos, se originan nuevos fármacos. llamados fármacos
hijos, con estructuras d iferentes al inicial y con propiedades mejoradas.
Un ejemplo de fármaco sintético es el ácido acetilsalicílico utilizado
como analgésico o antiinflamatorio.
Composición química de los fármacos
Composición qulmlca de fármacos animales
Muy pocas sustancias químicas son las que se extraen de organismos
animales. los principales componentes son: protefnas, grasas. hidratos
de carbono y denvados esteroideos.
Drogas naturales. Se les
llama así a las sustancias
natu1ales, especialmente de
los vegelale~ que se utilizan
parcialrcente o en su
totalidad, pa,a la cmación,
mitigación o prevención de
enfermedades.
Desde ef punto de vista farmacológico, los mi!ls ,mportantes son las
protelnas y los esteroides.
■ Las proteínas. Son compuestos orgánicos de alto peso molecular
que contienen carbono. hidrógeno, oxigeno y nitrógeno. Forman el
protoplasma celular y dan lugar a disoluciones coloidales con el
agua. Es1i!ln constituidas por aminoácidos que se unen entre sf para
dar lugar a los pépt1dos.
Los esteroldes. Son compuestos orgánicos derivados del ciclopentanoperh1drofenantreno, que es un hidrocarburo formado por cuatro
anillos fusionados. Esta es1rue1ura la poseen los .!leidos biliares. las
hormonas sexuales y las de la coneza suprarrenal,
Composición química de fármacos vegetales
Los princ,pates componentes químicos de los principios activos de las
sustancias 11e9etales son: hidratos de carbono, glucósidos. taninos.
sapornnas, grasas. esenc,as, resinas y akaloides. Algunos e¡emplos se
presentan a continuación:
• Hidratos de carbono. Son azúcares que se encuentran presente, por
ejemplo. en el almidón y la sacarosa.
• Glucósidos. Son éteres que están constituidos por la unión de un
azúcar y la 9enIna o aglicona, que son compueS1os con radicales
alcohólicos. Un ejemplo es la salicina.
■ Taninos. Son derivados fenólicos, unidos por lo general a la glucosa,
dando lugar a un grupo éster. Son solubles en agua y alcohol.
Tienen carácter astringente y se extraen fundamentalmente de la
nuez de agallas. formaciones patológicas de la enona. Su composI•
ción química es la penta•m•degaloilglucosa.
■ Saponinas. Son glucósidos cuya genina se denomina sapogenina.
Son solubles en agua, en la cual forman espuma. Por su capacidad
de disminuir la tensión superf«ial forman emulsiones con aceites y
sustancias resinosas. Por ejemplo, la d1gitonina, en la semilla de la
Digitalis purpurea.
■ Alcaloides. Son sustancias nitrogenadas alcalinas, poco solubles en
agua y akohol y solubles en drsotventes org~nicos como el éter y el
cloroformo.
:H¡Oi
H
O
H
~HH OH
Salicina. la saltc1na se extr~
de la coneza del s.,1,. airo.
twbol co'Tlú"mente llamado
sauce.
Composición química de fármacos minerales
Estos fármacos se utilizan en algunas sus1ancIas purificadas, entre las
que destacan los iones y las sales.
Entre los elementos que se encuenlran formando parle de los minera•
les de la corteza terrestre y que poseen interés farmacológico están:
el litio, que se encuentra presente en la naturaleza generalmente en
forma de silicatos. El litio se usa como carbonato
en el trastorno bipolar.
11 el hierro, usado para suplir las def1cienc,as que
provoca la anemia o en algunos casos de
embdrazo y lactancia.
• algunos minerales en forma de hidróxidos son
usados para combatir la acidez. por ejemplo,
el Mg(OHh y Al(OH)3.
o-Ó
AntáúdO.
IJ Farmacocinética: absorción (A)
Eliminación presistémíca.
Se produce cuando un
fármaco administrado por 'lía
e, travascula1 e;peñmenta
promosde metabolización
antes de llegar a la
citcufación sistémica.
La farmacocinética se encarga de estudiar los procesos de absorción
(A}, distribución (D), metabolismo (M) o biotranslormación y excreción
(E). cuando los fármacos pasan por el organismo. Como es un proce•
so dinámico, todos ocurren s1muMneamente.
Absorción (A)
Este proceso incluye: la liberación del f~rmaco de su forma larmacéu•
tica. su disolución, su entrada en el organismo desde la vla de adm,nis•
tración, los mecanismos de transporte y la eliminación presistémica
L;is características de cada vía de administración. la cantidad y la velocidad con que ef fármaco entra a la circulación total y los !actores que
pueden alterarla.
Vías de administración
■ Vla oral. Es la .ra más usada deb'do a que la ■ Administración intravenosa. Por esta 'lía el fármaco
mayor paite de los fármacos se absorbe por via
entra directamente en la citwlación sanguínea. evitando
mal. Po, ejemplo. cápsulas, jarabes y comprim·•
fas barreras de absorción yla inactiva6ón que sufre el fár·
dos. Sin emba,go, algunos fármacos. como la
maco al pasar por el hígado. efecto de pnme, paso. Este
benzilJ)eflicilina o la insulina, son destruidos poc
tipo de administra<ión se utiliza cuando se necesita un
los áodorn las enzimas gastrointestinales, porlo efec10 rápido, una adm'nóStración continw o grandes
tanto no deben ser admin;strados por es,a vía.
volúmenesde fármaco, o cuando estos provocan daño en
sino usar una via parenteial, es decir. no gastroinla zooa ce administración. fll:)r ejemplo, disoluciones inyectestinal.
_ __.,l_ r_a_
bl_es_. _ _ _ __
■ Inyección intramuscular y subcutánea. Los ■ Otras vías. Incluye vta inhala1oria, sublingual, rectal y 16pi•
fá,macos en d'solución acuosa generalmente se
absorben bastante rápido, este pcoceso se puede
reta,dar administrando el fármaco en forma de
éste,. De esta manera se log,a una libera<ión más
lenta del fármaco evitando la administración muy
seguida. Por ejemp'o, penicilina benzatina.
E
de la droga administrada
cos. La admínistracm sublingual (b.;jo la lengua) y rectal
e'lita la circulación f)O(tal y en panicular las p,eparaciones
sublinguales son valiosaspara administrar fármacos~ tos
a un alto grado de ~tab<11ÍStnO de primer paso. Eje~os:
sublingual: comprimidos; rectal: supositorios; inhalatoña:
aerosolt!S; y, tópicos: soluciones, eternal y ungüento~
_l
Concentración de la droga en fa circulación general
-~
,.,
o,m,.,i:a L
~lma;;co
Concentración de la droga en el sitio de acción
7
Droga en los tejidos
J '§
~
~ lDroga metabolizada o excretada] ~
Biodisponibilidad. La
biodisponibilidad de un
fármaco indica la wlocid.Jd y
la cantidad de la lo1ma
inalterada de un fá,maco que
accede a la circulación
sistémica y, por lo tanto, está
disponble para acceder a los
tejidos y producir un efecto.
Mecanismos de transporte
La absorción de un fármaco depende de:
• las características hsicoqufmicas del f~rmaco;
• de la preparación farmacéutica;
• del lugar de absorción en el organismo;
• la eliminación pres1stémica y efecto primer paso.
Los procesos de absorción de las drogas comprenden pnncipalmente
los s,guientes mecanismos:
Difusión simple
Las moléculas de las drogas atraviesan las membranas siguiendo básicamente la ley de Fiel<. Esta ley indica
que la velocidad de absorción será
mayor cuanto mayor sea el gradiente de concentración, menor el tama1io de la molécula y mayor su liposolubilidad. A su vez, la liposolubilidad
depende del grado de ionización: la
forma ionizada no se difunde a través de la membrana, mientras que la
forma no ionizada se difundirá hasta
que se equilibre la concentración a
ambos lados de ella.
o o
o o
o o
Difusión s1mp!e
o
Difusión facilitada
En la difusión facihtada se utiliza
una proteína transportadora, como
en el transporte activo; pero, en
este caso. el transporte se realiza a
favor de un gradiente de concentración y no se consume energía; es1a
difusión puede saturarse e inhibirse
compet,tivamente. como sucede
con el transporte de glucosa en la
membrana de los hematíes.
O Difusión a través de O I Difusión me<rada
una memhlana.
----
f por proteinas.
Exislen fármacos que inhib<?n
las bombas transpo<1adoras.
po1 ejemplo. el lansop,asol,
que inhibe la bomba
K• IH+-ATPasa. usada para
inhibir la seaeción ácida en
el estómago.
Transporte activo
De esta forma se transportan los fármacos contra un gradiente electroquímico. Requiere consumo de energla procedente del metabolismo
celular, por lo que está inlimamente acoplado a una fuente de energla,
como la hidrólisis de ATP. Con frecuencia, el transpol'le de la molécula se
asocia al de iones (como H" o Na•). que pueden ser transportados en la
misma dirección o en dirección contraria
o o
o o
o o
Endocitosis
Memb,ana
plasmática
Cit oplasma
J
En la endoc,tos,s se forma
una invaginación, pequeña
en la pinocitosis y grande en
la fagocrtosis. que engloba
las macromoléculas del exten°' de la membrana. Estas
invaginaciones se rompen en
el intenor de la célula. formando vesículas que contienen las macromoléculas. Por
ejemplo. la anfotericina.
_ _ _____,.I
Absorción intestinal de las drogas
La absorción gastrointestinal de una droga se produce por los mismos
mecanismos de lfansporte que ocurren en las membranas epiteliale-...
s, es por transporte pasivo, la velocidad con que se produce dependerá de la solubilidad que tengan las moléculas de la droga en los llpidos,
y de la ionización. la cual dependerá del compartimiento donde ocurra
la absorción.
Análisis de la absorción según la ionización. La figura
de la derecha muestra la absorción de una serie de
áCtdOS y de bases débiles en función de su fuerza.
Según lo descrito. las bases fuertes no se absorberán
•
en el estómago porque se ionizan completamente.
50 •
En cambio. los ácidos si podrán ser absorbidos, ya
~
que no se ionizan y no pre-..entan carga.
e
Absorción según pH
•
~
:9
•
•
•
•
5 10
Por ejemplo: los aborígenes sudamencaoos utihzaban .lS
.,:
el curare para mau,r an·males. El curare es un ve,,eno
que contiene compuestos de amonio, que bloquean la
2
transmisión neuromuscular. El connpuesto de amon,o
o
es una base fuerte, por lo que no se absorberá en el
estómago. Así, la carne de los an,male-.. mataclos de
• Ácidos
esta manera se podía comer con seguridad.
Hay algunos casos donde la absorción intestina• depende del transp0<te mediado por protelnas más que de la difusión simple. Por ejemplo,
et levodopa usado para tratar la enfermedad de Parkinson. Este ocupa
un transportador de fenilalanina y fluo1ooracilo. que es una droga citotóxica trasladada por el sistema, la cual transporta las bases p,nmid,cas
endógenas (timina y uracilo).
Factores que afectan la absorción intestinal
Normalmente, cerca de 75% de una droga obtenida por vfa oral se
absorbe entre 1 y 3 horas después de la ingesta, pero soo numerosos los
fact0<es que puede,, alterar este proceso. algunos f1siol6g1cos y otros
asociados a la lormulación de la droga. Los principales factores son:
motilidad gastro,ntest,nal;
íluio esplánico de la sangre;
tamaño de las particulas y formulación:
■ factores hs,coquimicos.
•
•
•
4
8
• Bases
•• ►
12 pu
IJ Distribución (D) metabolismo
Unión a proteínas. La
fijación del fárma<o a
proteínas es débil y reversible,
y sigue la ley de acción de
masas.
K,
F+ si1ios libres ~ f P
K2
Fra«ión libre. Solo la
fracción lib!e del lárma<o
wa•,iesa las membfanas que
separan los compa~rmientos.
Volumen de distribución
(Vd). Es e solumen ap;1rente
en el que está distribuida la
droga. IJego de una inyc<<ión
inlra'lenos.a:
Distribución (D)
Una vez que el f~rmaco se absorbe, ingresa a la sangre, donde una
parte de él se une a protelnas plasmáticas y el resto circula en forma
libre. Cuando la porc,ón lrbre del fármaco sale del plasma y se distribuye en el orgamsmo, una nueva fracción, equivalente a la anterior, se
libera de las protelnas y remplaza al fármaco de la fracción libre. Asl.
la proporción fracción unida/lracción libre se mantiene constante. aunque la concenirac,6n total disminuya progresivamente en el plasma.
Cinética de distribudón
Atendiendo a la velocidad con que el fármaco ocupa y abandona los
compartrmentos farmacológicos. se pueden considerar 1res tipos:
compartimiento central. Incluye el agua plasmática, intersticial e
intracelular fácilmente accesible; es dec,r, la de tejidos irrigados.
■ compartimiento periférico superfidal. Formado por el agua intracelular poco accesible; es dec,r, la de los tejidos menos irrigados,
como: piel, grasa, músculo o médula ósea y también los depósitos
celulares (p:otelnas y llp,dos).
■ compartimiento periférico profundo. lncfu)•e los depósitos tisulares a
los que el fármaco se une más fuertemente y de los que se libera
con mayor lentitud.
Vd= ,an1íd.ld de fárma<O
-conceouacicin plasmc'ltica
Monocompartimental
(a) Después de la
administración del
fármaco. la disui!>ución es
rápida y uniforme.
Modelos de <ompartimentos
Bkompartimental
(a) lnmedia1amen1e después de
Tricompartimental
(a) Se difunde a los órganos bien irrigados.
administrado, sed funde a los órganos (b) Se equilibta con el organismo.
bien inigados. (b) luego se equilibra {e) Existe acumulación en los órganos a los
ton el organismo.
que el farmaco se lija.
Metabolismo de fármacos (M)
Diagrama del metabolismo de un fármaco
El metabolismo o biotransfonnación de las drogas tiene dos aspectos importantes:
■ la droga se vuelve más hidrolílica, lo que
provoca que en los túbulos renales, se ace•
lere su excreción renal. Esto se debe a que
los productos generados (metabolitos) son
menos hposolubles y por lo tanto no son
rápidamente reabsorbidos.
■ los metabolitos son generalmente menos
activos que la droga madre. Esto no es siempre asl, a veces los metabolitos son tanto
más activos que las drogas ong,nales. Por
ejemplo, el d1azepam, un lármaco usado
para controlar la ansiedad, es metabohzado
a nordiazepam y oxazepam, siendo ambos
activos.
Fármaco
Oxidación
Reducción
Hdrólisis
1
Fase 1
Metabolíto
Conjugación con:
- Áddo glU<orónico
- Glicira
• Sulfato
• Acetato
[
¡ Excreció~ J
Fase II
J
1
Melaboli!O
conjugado
El pnnc,pal órgano metabolizador de las drogas es el hlgado. Este es,á
involucrado en dos ttpos generales de reacción:
■ Reacciones de fase l. Comprende la bio1ransformación de una droga
a un melabohto mas polar, introduciendo o desenmascarando un
grupo funcional (por ejemplo: -OH, -NH2, - SH).
Las reacciones de oxidación son las más comunes y son catalizadas por
una importante clase de enzimas llamadas oxidasas. la citocromo
P-4505. La especif,ctdad de sustrato de este complejo enzimático es muy
ba¡a, por lo que pueden ser oxidadas drogas de muy diverso tipo. Otras
reawones de fase I son las reducciones y las hidrólisis.
( Excreción ]
Las prodrogas. Son
inactivas hasta ser
metabolizadas a dlogas
activas en el organismo. P01
ejemplo, la levodopa, una
droga an~parkinsoniana es
metabolizada a dopamina, un
demado activo.
■ Reacciones de fase 11. Las drogas o sus metabolitos de fase I que no
son lo sufioentemente polares como para ser excretadas rápidamente PO< el rtMn, se vuelven más hidrofílicas al unirse en el hígado con compueslos endógenos, es decir, propios del organtSmo.
COOH
&OOCfl3
Ac,do ace!ilsalicl ico
OH H OH Metabolismo del ácido
acetilsalicílico con
reacción de hidrólisis
H
~
(fase Oy postenor
COOH glucoronización
(fase 11).
.. &º" ... üLo
Ácido salicílico
"º
El Excreción (E)
El principal órgano excretor es el riMn. Las moléculas de los fármacos
pueden eliminarse por via urinaria, vla biliar-entérica, sudor, saliva,
leche yto epitehos d~amados; en forma inalterada (moléculas de la
fracción libre) o rnod1f1cada, corno metabolitos activos o inactivos.
Cinética de eliminación
Cuantifica la velocidad con que los fármacos se eliminan del organ1s1no. Esta se expresa mediante dos constantes larmacoonéticas: la
constante de eliminación y el clearance.
■ Con$tante de eliminación (K0) . Indica l<I prob.1b1lidad de que una
molécula de un fármaco será ehminada del organismo. Por e¡emplo,
1
una Ke de 0,05 h- indica que aproximadamente el 5% de las moléculas de un fármaco se eliminan en 1 hora.
■ Clearance (CI). El dearance o ack1ram1ento de un fármaco al pasar
por un órgano. indica la capacidad que tiene el órgano para ehm1nar el fármaco, es decir, la depuración o eli1n1nación del fármaco por
unidad de tiempo. Se expresa de acuerdo al número de mililitros de
plasma que el órgano limpia por unidad de tiempo.
7
CI _ 0,693 Vd
t.
¡•
donde,
Vd es el volumen de distribución.
t 1 , vida media de ehm1nación.
,.
La vida media de eliminación ( L,. ) es el
' plastiempo que tarda la concentración
mática de un fármaco en disminuir a la
mitad, y es inversa a la constante de elimi-
naoón.
Velocidad « 11\/d
6
l)
/\
Droga remo1•ida
Plasma!
puro
J
Tipos de cinéticas de eliminación
■ Cinética de orden 1. La concentración del fármaco en el plasma {Cp)
disminuye exponencialmente con el tiempo, es decir, se elimina un
porcentaje fi¡o de fármaco por unidad de tiempo. En este caso, la
velocidad del proceso es directamente proporcional a la concentra•
c16'1 del fármaco.
La mayor parte de los mecanismos de eliminación son de orden 1, es
decir, la disminución de la concenuac,ón plasmática por unidad de
tiempo es mayor con concentraoones altas que con concentraciones
bajas. Este proceso que es exponencial puede linealizarw en una repre•
sentación semilogarítmica donde la pendiente corresponde a la cons·
tante de eliminación (K0) , como se observa en la siguiente figura.
Tiempo
In C0 = In
log Cp = log
cg - K t
0
cg- (K,12.303)t
La cinética de
orden Opasa a
01den I cuando la
concentraoón
plasmática
baja por debajo de
la de saturación del
mecanismo de
■ Cinética de orden O. Se elimina una
cantidad fija de fármaco por unidad de tiempo. En este caso, la
concentración del Mrmaco en el
plasma disminuye linealmente con
el 11empo, lo que ocurre cuando el
mecanismo de eliminación es satu•
rabie. Mientras las concentraciones
plasmáticas estén por encima de
los valores de saturaoón, la cinética será de orden o. Algunos ejem•
plos de Mrmaco son: etanol, fenitolna y aspirina. a concentraciones
altas o tóxicas.
t
o·det1 o
...........................
o
8
16
eliminación.
24
Tiempo
J
11 Farmacodinamia
La farmacodinamia se encarga de estudiar los mecanismos de acción
de los fármacos, y los efectos bioquímicos. fisiológicos o directamente
farmacológicos que estos desarrollan.
los fármacos poseen distintos tipos de accoones. es1as pueden ser:
■ acciones especificas. donde el IMrnaco se une específicamente a
una macromolécula presente en la célula, llamada receptor farmacológico, originando un cambio en la actividad celular.
■ acciones inespecfficas, donde el electo que produce el fármaco se
debe a sus propiedades fis«:oquimicas. As/, puede ser por: cambio
en la osmolaridad. modificación del pH en los líquidos corporales o
por agentes quelantes (sustancias que capturan metales).
Receptores farmacológicos
Son estructuras macromoleculares de naturaleza proteica. Estas se
encuentran localizadas, en gran número, en las membranas externas
de las células. en el citoplasma y en el núcleo celular.
Representación gráfica de un fármaco
y su receptor
200
¡
f
150
~
Especifica
100
so
¡
1 2
4
6
8
Curvas de fjación de un fármaco a su recep1or.
K1
F+ R ;::i IF-RI
K¡
El
10
Entre las respues1as funcionales que los recepto•
res pueden desencadenar, se tienen:
■ rncxlif,caciooes en los movimientos de iones y,
por lo tanto. de los potenciales bioeléctricos.
■ cambios en la achvidad de múltiples enzimas.
que ocurren cuando el receptor está conectado a estructuras membranosas o intercelulares capaces de mediar reacciones químicas.
■ modificaciones en la producción y/o la estructura de diversas proteínas. Solo en el caso de
receptores con capacidad de rroodiíicar los
procesos de transcripción y sfntes,s proteicas.
Algunas características que posee la unión fármaco-receptor son:
• afinidad, que es la capacidad de unión o fijación del Mrmaco al receptor.
eficacia o actividad intrínseca, que es la capacidad para producir el efeao farmacológico
después de la unión al receptor.
---------.1
Concepto de agonista y antagonista
1
Ligan.
Entre los Mrmacos se pueden dis1inguir los
agonistas y los antagonistas:
■ los fármacos agonistas son aquellos que
poseen afinidad y eficacia.
■ los fármacos antagonistas son aquellos
dotados de afinidad pero no de eficacia.
• •
Agonista
ndógeno
1
y
No hay respuestas
Respuesias
Asr. por ejemplo, si dos fármacos lienen afinidad y eficacia, pero uno
de ellos tiene mayor afinidad. entonces, este úllimo ocupará el recep•
tor fijándose a él (agonista} y bloqueando la acción del segundo fármaco (antagonista).
Antagonisra
Agonistas y antagonotas.
Curva dosis-respuesta
Una curva dosis-respuesta se origina de la representación gráfica en la
que se relac,ona la concentración del fármaco con la respuesta farmacológica. La concentración de fármaco que alcanza el 50% del efecto
máximo, se le llama dosis eficaz (DEso). por lo que, mientras más bajo
sea DEso, mayor polencia tendrá el fármaco.
Cuando dos fármacos, A y 8, poseen
afinidad por un mismo receptor y
actúan de forma simultánea. se inter•
f1eren mutuamente para ocupar el
receplor. En un sistema determinado,
si la eficacia intrínseca de 8 es menor
que fa de A, la ocupaoón de receptores por parte de B restará intensidad al
efecto que conseguirla A por si solo. El
fármaco B se convierte en1onces en
un antagonista competitivo de A.
l oo1 0.01
o. 1
1.0 10.0
His1arrvna (µglml )
El gráfteo muestra las curvas dosis-efecto obtenidas mediante asociación de concentraciones crecientes de un amagonis1a completo. histamina (contra» con concentraciones fi¡as de un antagonista puro. A
medida que aumenta la concentración del an1agonista. la dosis eficaz
aumenla. Nótese que el efeclo máximo se mantiene hasta que se bloquea de forma irre,,ersible una gran proporción de receptores. ilustrando así el concepto de receptores de reserva.
fl
lfi Mecanismo dea_c_c_io_·n_______
Segundo mensajero.
Sustanciil5 generadas dcnuo
de la célula que inician la
respuesta fü;ológica.
Para que se ponga eo con1ac10 físico el farmaco (agonisU! o an1agonisU1l con el receplor, debe existir una cierta similitud eslructural con
el ligando endógeno, que es la sustancia especifica para el recep1or.
Esta puede ser un neurotransnusor o una hormona.
la generación de la respuesta de un Mrmaco debida a la acti>Jación de
su receptor requiere la puesta en marcha de un mecanismo efec1or que
suele originar un cambio en el flu¡o de un ion o en el ni>Jel de un
•segundo mensajero· químico. El receptor presenta. por lo 1anto, dos
funciones fundamentales: unir al ligando especifico y promover la respuesta efectora.
la mayar parte de los fármacos actúan mediante la unión a receptores
específicos. Sin embargo, existen farmacos cuyos efectosse producen en
virtud de su interacción con elementos inttacelulares y exuacelulares,
difíciles de considerar receplores en sentido estncto, pero que se com•
portan como elemento blanco de fármacos. Por ejemplo, una enzima.
Dentro de este grupo se incluyen:
■ los fármacos que aclúan inhibiendo la actividad de diversas enzimas,
como: Na•n<•- ATPasa. monoaminooxidasa, ciclooxigenasa que es
inhibida por los anlinflarnatorios no estero1dales. AINEs.
■ los quelantes, que fijan diversos cationes.
■ los fármacos que son análogos estructurales de sustancias endógenas
y que actúan como falsos sustratos de enzimas. Por ejemplo, los análogos de bases nitrogenadas con actividad antineoplásica y antiviral.
■ los que interfieren en la actividad de los transportadores ligados a
los sistemas de recaptación de los neuro1ransmisores.
i
ro,foip,dcs
t0$1o!i~a A2
~COOll
¡-v-wCOOII
~
~~
,\c. Ar;quidóoi<o
°''
TromlJoxaoo
·cefoox,q•••"'
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· ~ , -► ~
.4.. ~ O ~oo11
~-~'-- o
Alj)Óri"il
PJrd(~amol
lbup,ofeoo
OH
"\ .
P1cstJ•landina H, "
~
~COOH
OH
OH
Prostag'.andina
OH
E,
~COOH
O
:H
Promglandna o,
_ _ _ _I
Las enzimas como blanco para la acción de las
drogas
Las drogas pueden producir susefectos al actuar sobre reacciones enzIm~ti<:as, provocando el incremento o acumulación del sustrato (o sustratos) y la correspondiente reducción del metabolito o metabolitos
{productos), de forma que uno de estos dos resultados represente la
aparición de un efecto clínicamente úttl. Esto lo puedro hace(:
■ compitirodo con el sustrato por el sitio activo de la enzima. o
■ actuando directamente sobre la enzima modificando su actividad.
Este efecto puede ser reversible o irreversible.
Enzima
•
Productos
Sustrnto
Su<11a10
lnhibidor
Algunos fármacos que alteran la actividad enzimática son:
l
Sustrato
Enzima
Producto
lnhibidor
Usos
Acetilcolina
aceticolinoesterasa
colina
acetato
neostigmina
miastenia gravis
Aiaquidooato
cidooxigenasa
prOS1anoides
aspirina
inflamación
Ang otensina 1
<onvertasa
AT 11
captopril
hipeI1ensión
HMG-CoA
ácido
mevalón,co
simvastatina
disminución del colesterol sangufneo
tetrahidroíolato
tnmetoprim
con cotrimoxazol
como amiooc1eriano
zidovudina
VlH
cirarabina
droga
anticancerigena
HMG-CoA
reductasa
Folato
clihidroíolato
redue1asa
Timidina
uans.criptas.a
reversa
Desoxirribonucleólidos
DNA
polimerasa
D'lA
a
11 Farmacode endencia
El uso indebido se
relaciona también con la
auIoadmini1uación. sitoación
en la que los individuos
consumen un fármaco a
cme,io p1opio o de teiceras
personas ro Ccpacitada~
1..1 farmacodependencia o adicción es una enfermedad biopsicosocial
que se produce por el abuso compulsivo de sustancias químicas que
modifican el estado de án,mo, capaces de provocar una compulsión
irracional e irresistible para continuar con el uso de dichas sustancias y
que genera inevitablemente un dMo para el individuo y para la sociedad. La drogadicción es el uso excesivo de una droga por consumo
indwidual, o el uso indebido de ella.
El uso indebido se refiere a la situación mediante la cual se utiliz.,n los
f~rmacos con lines no médicos o coll fines médicos pero en forma irra•
cional, sin tener en cuen ta los aspect05 farmacocinétic05 y farmacodin~micos de las drogas en relación con la fisiopatologia oo la enfermedad que se pretende tratar.
Hábito o acostum bramiento
El uso reiterado de una droga en forma indiscriminada, genera en las
personas el hábito o acostumbramiento a ella. El acostumbramiento
no desarrolla todas las caracterist,cas de la farmacodependencia. por
lo que genera un daño más individual que social. Por ejemplo:
■ no existe compuls,ón, sino un simple deseo.
■ no se produce dependencia física, ni síndrome de abstinencia.
■ existen efectos perjudiciales solo para el individuo que la consume.
Tolerancia
Consiste en la pérdida progresiva de los efectos producidos por una
droga ante su uso reiterado en el t,empo. lo que obliga a incrementar
la dosis para recuperar el efecto ,nic,al.
La toleranc,a es una manifestación de la capacidad de adaptación del
organismo a la existencia con11nua de un compuesto extrano.
Tolerancia mei.,bóica 1
OcuiregeneralmenIe por inducción enzimátiCc, se
incrementa la tdsa metabóliCc.
Tolerancia farmacodinamica
Es la consecuencia de Ccmbios adap1a1i1·os de las
células afectadas por la acción de una droga
determinada. D~a11ollan mecanismos de regulación
de 1ecepto11!$ espeCJ'ficos.
Dependencia
Existen diversos tipos de dependencia hacia la droga. algunos de ellos
son:
Dependencia psicológica
En este tipo de dependencia solo se produce un deseo de consumir la
droga. En este caso. el paciente utihu, la droga como un apoyo psicológico y en algunos casos para sentir cierta sensación de bienestar al
que se ha habituado. lo que le es útil para enfrentar las s,tua<iones de
las actividades cotidianas.
En la dependencia pslquica no resulta d ificil la
suspensión de la droga ya que no hay desarrollo de un verdadero slndrome de abstinencia.
sino solamente ciena inquietud psicológica. Es
el primer paso hacia la dependeocia física y el
desarrollo de formas más complejas de adicción. La dependencia pslquica, en personalidades predispuestas, es1imula el uso de otros
fármacos adictivos. Para el tratamiento de
este tipo de dependencia es fundamental la
psicoterapia.
Dependencia física
En este tipo de dependencia ocurre la alteración orgánica más importan te. Es un estado
que se caracteriza por la necesidad inevitable
de administrarse un fármaco para mantener
un funcionamiento orgánico general.
El paciente requiere de la existencia de cierta
concenuación de la droga en el organismo.
Por eso la suspensión brusca de esta puede
provocar importantes alterac,ones en el funcionamiento celular, lo cual repercute en el
funcionamiento de divmos órganos, origin~ndose una alteración orgánica, general•
mente grave, conocida como síndrome de
abstinencia.
Mecanismos de neuroadaptación
1
Uno de los cambios que se evidencia cuando hay
depe11dencla física es:
1. La droga puede provocar la inhibíción de una enzima
útM para la síntesis de un neurotransmiso,, cuya
p<oducción se autorregula por la concentración del
neurotransmisor.
2. La enz,ma, al estar inhibida, reduce la síntesis del
neurotransmisor.
3. Esto o·ig·na. por autorregulación, una inducción
enzimática e incremento de la síntesis de la enzima
para repara, la situación.
4. las enzimas inducidas son a su vez [nhibidas
parcialmente por la droga.
5. En el balance. la síntesis del neurotransmisor se
sigue efectuando. aunque esté disminuida.
6. Ante la supr<?Sión brusca de la droga se crea un
estado especial a nivel celular ya que existe una gran
cantidad de la enzima qu;> queda disponible para
inc,ementar rápidamente la síntesis del
neurotransmisor.
7. Se desarrollan entonces los efectos de ·rebote"
ocasionados por el exceso del
neurotransmisor.
Mecanismo de acción de algunas dro
Drogas depresoras
En esta clasificación se incluye el etanol y los hipnótico-sedantes, como
las benzodiac~inas (diazepam, clonazepam}. que actúan fundamentalmente potenciando el neurotransmisor GABA (ácido e<-aminobutirico).
la acción molecular de las benzodiacepinas se basa en dos hechos fundamentales:
■ facilitan la transmisión fisiológica de carácter inhibido, mediada por
el neurotrasmisor GABA, produciendo la apertura del canal de ion
cloruro (CI") que provoca el ingreso del ion, por lo que la neurona se
hiperpolariza.
■ se lijan en el sistema nervioso central (SNC) a sitios específicos con
una afinidad que guarda estrecha relaci611 con su potencia ansiolltica. la marihuana también está considerada en este grupo.
canal de doro. Re<eptor <Je
GABA y benzoó,acepina.
Marihuana
El delta•9·tetrahidrocanabinol (,.\ 9-THC) es la sustancia responsable de
los efectos de la manhuana. los diversos cannabino1des actúan
mediante receptores especlf1cos, de los que hasta el momen10 se han
descrito dos tipos, denominados CB 1 y CB2 .
Sitio de GABA--~
Sitio de beniodiacepina
Sitio de
barbitúncos
Membrana
An~tésicos
generales
Sitio de picrotoxinina
los cannabino1des desaparecen con rapidez del plasma y
del cerebro pero, al ser muy
liposolubles, tienden a acumularse en el te¡1do adiposo,
elim1nánclose len1amen1e del
organismo. Por ello, vanas
semanas después del consu•
mo de cannabioo,des es posible de1ec1ar1os en la orina.
Alucinógenos
Este es un grupo diverso efe sustancias capaces de provocar alterado•
nes sobre los mecanismos cerebrales responsables de la percepción,
valorar e interpretar la información sensorial recibida.
Ejemplos de alucinógenos
sintéticos son la fencididína y
LSD. y naturales. la psilodb'na
{hongo) y el peyOle (cactus).
No se caracterizan por su capacidad para generar dependencia. su uso
casi siempre está asociado al consumo de otras sustancias capaces de
producirla. El estudio adecuado de su farmacologra no es sencillo ya
que, generalmente, se trata efe brebajes u extractos obtenidos de plantas, cuya ingesta compona el analisis simultaneo efe varios principios
farmacológicos con acciones distintas entre si.
Psicoestimulantes
Son fármacos que estimulan la conducta por un mecanismo que implica la reducción del umbral de los sistemas de alerta o vigilia. Algunos
ejemplos son:
cocalna, que inhibe la recaplación de catccolaminas (dopamina y
noradrenal1na) y serotonma por actuar específicamente en el sistema de rccaptac,ón; de hecho. lo que a veces se denomina "receptor de la cocalna" es el recaptador de dopamina.
■ anfetamina. que bloquea la recaptación de los neurotransmisores
dopam,na y noradrenalina. Además, es capaz de penetrar en la term,naci6n y provocar la liberación de estos neurotransmisores.
También puede activar directamente receptores adrenérgicos pre y
postsinápticos.
Cocaína
Anfetamina
Anfetamina
J
Terminación nerviosa
dopaminérgica.
Las rneas continuas estimulan la liberacióa del ,ieurotransmisor, y las líneas seg•
mentadas inhiben la
recaptación del neu,otrarlS•
m·sor.
&;m rera
,
.
en1ca
La terapia génica consiste en la in1roducción de
genes seleccionados en las células de un individuo,
con fines terapéuticos. Esta 1écnica se ha drseflado
para tratar enfermedades, heredadas o adquiridas.
incluidas muchas de las que se han resistido hasta
ahora a los tratamientos convencionales.
Enfermedades sometidas a ensayos
d lnicos de terapia génica.
• Cáncer (rilión, o,,ar;o, cerebro. cabeza.
garganta, pulmóll, hígado, mama, colon,
próstaia, leucemia, m,eloma múltiple).
· F,brosis quis1ica.
• Hemofilia.
• Deficiencia en la tosforilasa de purina.
• Anemia de Fanconi.
• Anritis reumfitica.
- Enfermedad vascular pe1iférica.
· Sida.
En los genes se encuenlra la información para las
proteínas. Cuando los genes eslán deíecluosos pueden producir enfermedades al hacer que las células
fab<,quen protelnas en cantidades anormales o insuficientes.
Una de las maneras de introducir genes sanos en las
células daliadas es mediante virus modificados, los
que son empleados como vectores de los genes. Los
virus son útiles por su capacidad natural para introducirse denlro de las células e insertar en el hospedador el material genético que portan. s, en el lugar
de esos genes daMdos se colocan los genes correctores, se liene un sistema idéntico en aparie,1cia al
,Jirus orig,nal, que puede transportar genes útiles
hasta el interior de las células. pero que no causa
enformedades.
la terapia gén,ca puede aplicarse de dos maneras:
■ primero insertando una copia sana de un gen en las células del
paciente. para asr compensar el efecto de un gen defectuoso.
■ segundo, introduc,endo un gen especialmente disenado para que
suminis1re una nueva propiedad a las células.
El frn es frenar el progreso de la enfermedad. incluso rniroducrr genes
para prevenir ciertas enfermedades. Por ejemplo. en vez de esperar
que una mujer susceptible de sufrir cáncer de mama llegue a enfermar,
se le podrla suministrar genes protectores mienlras aún está sana.
Esta terapia es aplicable tanto en células germinales como en células
somálicas. Sin embargo, la tetapia génica germinal genera ,ndrviduos
modificados genéticamente. lo que él!camente no es aplicable a seres
humanos. La terapia génica somática. utibzada actualmente, involucra
la modificación genética de determinadas células somátrcas.
ll
Métodos para introducir material genético
Para la terapia génica en células somállcas se dispone de varias técnicas:
Terapia ex vivo (o "fuera del cuerpo"). Esta terapia es la que pr~nta menor riesgo, por lo que es la más utilizada. Consiste en extraer
del paciente células con genes defectuosos, modificarlas genética•
mente en un laboratorio introduciéndoles copias normales del ADN
afectado: luego se dewelven al organismo.
■ Terapia in situ (o " en el mismo lugar"). En este procedimiento, se
introducen portadores de los gene<; correctores d11ectamente en los
tejidos defectuosos. Es la estrategia ideal cuando el defecto está
localizado, pero no puede corre911 problemas que afectan a todo el
cuerpo. Un ejemplo de aplicación de esta técnica es la fibrosis qulstica, que afecta a los pulmones.
■ Terapia in vivo (o "dentro del cuerpo"), Los genes correctore<J se
introducen en el torrente sangulneo en vectore<J que le permitan
ingresar al órgano dañado. Esta técnica no es aphcable aún.
Células sanguíneas
Terapia ex
vivo
......__
Reiny«<ión
Células modificadas
Terapia in
vivo
AON
recombinante
Virus
(YOOor)
Ejercicios
1. ¿Qué es un principio activo?
10. ¿Cuál es la secuencia correcta en el proceso
de absorción?
2. ¿De dónde se extrae un principio activo?
l. Su disolución.
3. ¿Qué es un medicamento?
11.1.a liberación del fármaco de su forma
4. ¿Qué tipos de interacciones se establecen
entre el fármaco y su receptor?
farmacéutica.
111. Los mecanismos de transpone.
IV. Su entrada en el organismo desde el
lugar de adm,nimación.
V. Eliminación presistémica.
S. ¿Qué caracteristicas tienen los medicamentos
que llegan a excretarse por vla renal?
6. ¿Cuál es el órgano inactivador de fármacos
de mayor importancia?
7. ¿Cuáles son los tipos de reacciones
involucradas en la inactivación hepática de
los fármacos?, ¿en qué consisten?
11. Nombrar tres factores que afe-cten la
absorción intestinal de un fármaco.
12. ¿Cuáles son las respuestas que se pueden
generar cuando se establece la interacción
de un fármaco con su receptor?
13. ¿Qué es la tolerancia a una droga?
8. ¿Cuáles son las etapas por las que pasa un
fármaco cuando ingresa al organismo?
14. ¿Qué diferencia hay entre afinidad y
eficacia?
9. Hacer la asociación correcta entre la columna
A y la columna B.
A
1. Farmacognos,a.
2. Tecnologla farmacéutica.
3. Farmacodinamia.
4. Farmacoc,nét,ca.
S. Farmacoqulm,ca
B
a. Formas farmacéuticas.
b. Biodispombihdad.
c. Relación estructura-ac.ividad
farmacológica.
d. Mecanismo de ae<ión.
e. Fármacos vegetales, an•males, minerales y
sintét<COS.
1S. ¿Qué diferencia hay en el mecanismo de
acción entre la cocaína y las anfetaminas?
16. Según la velocidad con que el fármaco
ocupa y abandona los compartimentos
farmacológicos. ¿cuáles son los tipos de
compartimientos que se pueden considerar?,
¿qué características tienen?
17. ¿Cuáles son las condiciones flsico-químicas
que debe tener un filrmaco para ser
absorbido por drlusión simple?
18. ¿Cuál es el volumen de distribución
aparente de un fármaco cuya dosis es de
50 mg y que alcanza una concentración
plasmMica de 0,215 mg/L?, ¿qué significa
este resultado?
Solucionario
1. El principio activo o droga es una sustancia química que Iiene algún efecto medible en el organismo.
2. Se extraen de componentes de la naturaleza, principalmente plantas. pero también de animales y componemes
minerales. También se d"señan y sinteIizan en laboratorio.
3. Un medicamento es una droga o principio activo, p<oducido en una torma tarmacéu~ca que permita stt
adminisirao6n y dosis adecuada a la edad 1· estado del paciente. Pl>see, además excipientes menes.
4. Se forman enlaces Mbi1es (puentes de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals) que pueden ser especílicase
inespedfKas. La unión tármaco-receptor está determinada por las reacciones que se producen entre ellos.
5. Las sustancias más hidrnsolubles. es deor, tas más ionizadas. se exc,etan más fácilmente, ya que no se
reabso~n en los túbulos renales.
6. Et hígado es el principal órgano metabolizador de drogas.
7. Reaccio~es de fase 1: Comprende la biotransformación de una droga a un metabolito más polar (soluble en
agua). Reacciones de fase 11: Ocunen cuando las drogas o sus metabortos generados en Fase I no son
suficientemente polares como para ser excretados por el riñón, se V1Jelven más hidrofilicas al conjugarse con
compuestos endógenos en el hígado.
8. Absorción ➔ Distribución -> Metabolización -, Eliminacioo.
9. le-2a-3d-4b- 5c.
10. 11, l. IV, 111, \l.
11. Algunos son: motilidad gasttoimestlnal, flujo sanguíneo hepático, tamaño de las panículas y formulación.
12. Modificaciones en los movimientos de iones, cambios en la acti-1idad enzimática, modificaciones en la
producción y/o la estructura de cfrversas p<oteínas.
13. Es la pérdida progresñ1a de los efectos producidos por la droga po, su uso permanente en el tiempo, lo que
obliga a incrementar las dosispara recuperar el efecto inicial.
14. La afinidad da cuenta de la capacidad del fármaco para Ullirse al receptOf, la eficacia indica la capacidad de
generar efecto farmacolósico.
15. La cocaína inhibe la recaptación de dopamina, no,adrenaina y se<01onina. ya que actúa específicamente en el
sistema de recaptación. Las anfetaminas bloquean la recaptación de las catecolaminas y además son capaces
de penetrar en la terminación y provocar la liberación de estos neurotransmisores.
16. Compartimiento central: son los tejidos irrigados, induye el agua plasmátka. interSlieial e intracelular fácilmente
accesible. Compa11imiento perifético superficial: son los tejidos menos irrigados, formados por el agua
mtracelular poco ac<e~ble, como: piel, rrusculo o médula ósea. Co,npartimiento periférico profundo: incluye
depósitos tisulares a los que el tármaco se une fuenemente y de los que se libera lentamente.
17. La velocidad de absorción será ma1•or cuanto mayor sea el gradienIe de concentración, menor el 1amaño de la
molécula y ma,¡or su liposolubilidad (le>/ de f ick). La liposolubi!idad depende del grado de ionización. La forma
ionizada no difunde a través de la membrana, mientrasque la no ionizada difundirá hasta el equili>rio.
18. 233 L, un •1a'or muy elevado considerando que en un hombre de 70 kg el volumen es de 3 L Si el fármaco
estu•1iera un:do a proteínas, daría un Vd bajo, ya que la unión a estas aijmenta la concentración real del
fármaco libre. Si se distribuye en otros tejidos, donde no es detectable, la concentración plasmática es muy baja
en relación a la dosis, dando la impresión de q~ el fármaco se disuibuye en un volumen mayor al real.
lm
Procesos químicos
industriales
r:I I agua, el aire y la tierra proporcionan al ser humano diversos
1.:1recursos, pero ¿qué se puede hacer con ellos? El desarrollo tecnológico que se ha conseguido hasta hoy ha puesto en las manos de
la humanidad poderosas herramientas para mod1f1car las sustancias
que existen en la naturaleza.
Asl, el estudio de las reacciones quimicas y sus mecanismos han permitido un gran perfeccionamiento de los procesos industriales. En
Chile se puede obseivar el avance industrial que se ha producido, por
ejemplo, en las grandes mineras, las salmoneras, los avances en construcción y en las comunicaciones, enlfe otros. beneficiando la calidad
de vida de las personas.
Es por esto que no se debe olvidar el objetivo principal de las industrias, que es crear un producto de calidad, a bajo costo y produoendo
el menor da~o posible al medio ambiente.
■ Organización de los contenidos
Industria qulmica
materia prima
>--------~
tipos de industria
matefiales
hidroslera
de base
de transformación
p<oductos
de síntesis v
consuucción
no mct.llioos
origen 11 p¡opiedades 1 1fabnc.dón
litosfera
natural
atmósfera
nuei.'Os
materiales
producto
control de ,__ _ _ _ _ _---< ooni<lminación
indostóal
calidad
op1,mización
factor
11
estequiométlico
facto,
cinético
facw
termodm~mico
polímeros
Un material es la materia que se utiliza para crear la totalidad de objetos
que se ven a diario. Según su procedencia, estos pueden ser de origen
animal, vegetal o mineral. A estos materiales, por ser extraídos directa•
mente de la naturaleza, se les conoce como materiales naturales.
Material de origen animal.
Matenal de ongen vegetal.
Material de origen mineral.
■ Materiales
de origen animal. Se
obtienen directamente de los animales. Por ejemplo: cuero, lana, seda,
aceites, pelo y pigmentos.
■ Materiales de origen vegetal. Se
obtienen directamente de arboles y
plantas. Por ejemplo: madera, COfcho,
algodón. aceites. resinas. caucho, tin•
tas y fibras.
■ Materiales de origen mineral. Se
obtienen de los minerales que se
encuentran en la superíieie o interior
de la tierra. Por ejemplo. los materiales metalicos como el alumin,o. cobre
y lit10, y los materiales no metalicos.
como el oxígeno, nitrógeno, yodo y
azufre.
A los materiales creados por el ser
humano en laboratorios se les llama
materiales sintéticos. Estos pueden ser
sustancias puras. compuestas o mez•
clas de sustancias. Para poder fabricarlos. el ser humano necesrta explotar
recursos naturales, obteniendo de ellos
la materia prima. Los recursos naturales, como los minerales de una mina,
son fuentes de materia prima, por
ejemplo, el cobre, que es usado para
fabricar cables o cañerlas.
Materia prima
Una materia prima puede ser un material natural o poco transformado que se utiliza en la industria para crear un producto.
La hidrosfera, atmósfera y litosfera son fuentes de materia prima.
■ Hidrosfera como fuente de materia prima. La hidrosfera se forma del
con¡unto de aguas que se encuentran sobre la superfioe terrestre.
como son: las aguas subterráneas, nieve. glaciares. lagos. ríos.
mares y océanos. La materia prima que se extrae de los océanos es
el bromo, magnesio. potas,o y gran cantidad de cloruro de sodio
entre otros. También, se obtienen peces, mariscos y algas que se
usan como materia p,·,ma en la 1ndus1na pesquera.
■ Atmósfera como fuente de materia prima. El aire se separa en las
torres de fraccionam,ento donde el aire líquido se somete a una destilación fraccionada. Asl, de acuerdo al punto de ebullicióo, se obtienen diferentes gases. Primero se obtiene el argón, que se utihza en
lámparas eléctricas con filamentos, y en procesos metalúrgicos.
Luego el nitrógeno. que se usa en lámparas incandescentes, también sirve como materia prima en la fabricación de fertilizantes.
explosivos. drogas. limpiadores domésticos, también como refrigerante, y en la criogenia. Finalmente. el oxigeno, que se utiliza en
pacientes con enfermedades respiratorias, para soldar y en la propulsión de cohetes.
■· Litosfera como fuente de materia prima. La litosfera entrega todos
los minerales; los más abundantes son los silicatos y aluminosilicatos, compuestos por oxígeno, silicio, aluminio, humo y magnesio.
Los minerales son usados en la industria m,nera para obtener metales como el hierro y cobre; en otras indus1<ias, para la fabricación de
cerámicas, papel, cemento, pinturas y fibra de v,dno, y en la obtención de electricidad; del mineral pechblenda (U0 2) se extrae el uranio, que es la materra pnma de las centrales nucleares.
Fabricadón de materiales: en forma directa e indire<ta
proceso de
transformación
manufactu1a
exua<eión de la
materia prima
manufactu1a
fil
Propiedades físicas de los materiales
Propiedades térmicas y eléctricas
■ Conductividad eléctrica. Capacidad que tienen algunos materiales de conducir la
comente eléctrica. Por ejemplo. los metales
como el cobre son buenos conductores de
la electricidad.
■ Conductividad térmica. Facilidad con que
un materia! permite la propagación del
calor. Por ejemplo, el acero utilizado para
hacer las ollas.
Propiedades mecánicas
■r Dureza. Es la resistencia de un matenal a
ser rayado. es decir, cómo se marca su
superlrcre. La dureza se determina
según la escala de MOhs (ver p. 79).
■ Elasticidad. Cuando se aplica una fuerza sobre un material este puede deformarse y volver a recuperar su forma. Por
ejemplo, al apretar un globo.
■ Tenacidad. Resistencia a la fractura. Por
ejemplo. un matenal tenaz como el
acero, no se rompe con facilidad, en
cambio, un material frágil como el vidrio
si lo hace.
■ Transparencia. Facrhdad con que un
matenal permite el paso de la luz. Por
e¡emplo, es muy fácil mirar a uavés del
vidrio (material transparente). pero más
dificil es a través de un plástico.
■ Flexibilidad. Capacidad que tiene un
material de deformarse s,n romperse.
Por ejemplo. algunos plásticos como las
mangueras.
■ Resistencia. Capacidad de soportar
grandes esfuerzos y presiones sin deterrorarw. Por ejemplo, el acero utilizado
en grandes construcciones.
Clasificación de los mate riales
De acuerdo a su estructura interna los materiales se clasifican en:
■ Materiales metálicos. Por su gran abundancia permiten al
ser humano darle múltiples usos. Están f()(mados por átomos de una o más clases. Los átomos en un metal se juntan uno al lado del otro y se mantienen unidos por grandes fuerzas. Los metales son muy buenos conductores de
la electricidad y del calor. Son dúClJles, con ellos se pueden hacer alambres, y maleables, pueden formar láminas.
Tienen un brillo carac1erlst1co, son duros y resistentes.
■ Materiales cerámicos. Los materrales cerámicos derivan
de minerales extraklos del suelo Las partlculas que los
forman se encuentran unidas por fuerzas extremadamente fuertes. Esta característica hace que los materiales
cerámicos sean duros y opongan gran resistencia a la
penetración de su superficie. Poseen altos pvntos de
fusión, es decir, resisten altas temperaturas sin transf()(marse. No se erosionan, no se corroen y no se desgastan
con facilidad. Son malos conductores del calor y de la
electncidad, por lo que son matenales aislantes.
■ Materiales poliméricos. Están formados por polímeros
naturales o sintéticos. Sus partlculas se ffi<Jntienen unidas
por fuerzas moderadas. Son malos conductores del calor
y de la electricidad. Según la forma en que se unen sus
partfculas estos tienen diversas propiedades. Asi, si /()(man cadenas ordenadas y la fuerza de atracción entre sus
partlculas no es muy fuerte, el pollmero es flexible; si la
fuerza de atracción es más fuerte, será más duro y menos
flexible; si las cadenas están entrecruzadas, se forma una
red, dando un polímero elástico: si las uniones son muy
fuertes, es más duro, menos flexible y se quiebra con facilidad .
■ Materiales electrónicos. Están f()(mados por elementos
no metálicos. Son malos conducto<es de la electricidad a
bajas temperaturas: sin embargo, con un pequeño
aumento se produce la conducción. Se utílizan para fabricar circuitos integrados, piezas usadas en televisores,
computadores y radios. Actualmente está en estudio el
u~ de materiales org~nicos en dispositivos electrónicos.
Otras propiedades de los materiales
Conductividad del calor
La posibilidad de algunos materiales de conducir el calor se debe a la
estructura interna que estos poseen Por e,emplo. los materiales met<l•
licos son buenos conductores térmicos debido a la movilidad que exis•
te entre los electrones, lo que les permite transferir la energía cinética
a lo largo de todo el metal; en cambio, en los materiales cerámicos, los
electrones permanecen fijos (solo vibran). por lo que son malos conductores del calor.
lnflamabilidad
Se habla de inflamabihdad cuando un matenal se enciende con lacili•
Lana de vidrio. Es un
material mvy utilizado
por su excete-nte
comportamiento lrente
al luego, todas las
construcciones aisladas con
este mattrial actuan como
una barrera contra el fuego.
dad y desprende inmediatamente llamas. Por ejemplo, las llamas producidas por las espumas plástrcas al inflamarse, se propagan rápida•
mente, son tóxicas y liberan una gran cantidad de calor. En la actualidad existen materiales llamados ignlfugos o no inflamables, los que se
apagan al quitar la fuente de calor, no contribuyendo a la propagación
del fuego. Esto se debe a que poseen admvos llamados retardadores
de llamas que dificultan su propagación.
Cómo afecta el medio ambiente a los materiales
■ Metales. Los metales, al estar en co'1!acto con la humedad atmosférica, se oxidan
y corroen. esto se debe a que el oxigeno
atmosfénco enua en contacto vla el
agua. En este proceso. el metal se combina con el oxigeno formando un óxi<lo.
■ Construcciones. Las construcciones de
mármol o piedra se ven altamente alecta•
das por la lluvia ~cida que se provoca por
la alta acumulación de contaminantes
a1mosfét'icos. Un ejemplo claro de este
proceso es el que se ve en el Coliseo
Coliseo Romano. Patrimonio de- la humanidad altamente
Romano, en Italia. Para poder preservar
afectado por la lluvia ~cida.
estas construcc,ones, se les somete a
diversos procesos químicos.
■ Los plásticos. Estos ma1eriales son los que mejor resisten los facto•
res ambientales, sin embargo. el daño que causan al medio ambiente al no ser biodegradables es incalculable.
M ateriales sintéticos
Algunos materiales sintéticos altamente usados en el mundo son:
Papel
Se obtiene de la laminación de una pasta llamada pulpa, compuesta
por fibras de celulosa, materia prima que proviene de la madera, por
ejemplo, pino o eucalipto. La fabricación de papel es muy importante,
ya que se puede utilizar de modos muy variados. por e¡emplo. para la
fabncación de cajas, papel higiénico o absorbente. sin embargo. su uso
princ,pal es como soporte para la escritura y lectura.
Todo indica que los chinos
!ue1on k>s p~i-neros en
fabricar el papel, hacia e-1
a,\o 100 d. C. Sin embargo,
el papel m.is antiguo que Sé
conoce es del aho tso.
Vidrio
La materia prima del vidrio son los minerales que se encuentran
en la arena y en las rocas. Su composición qulmica es una
mezcla de silicatos de sodio y calcio, constituidos por tres
cuartas partes de sllice y el resto por óXidos, los cuales se
funden a altas temperaturas. Su gran importancia radica en su 1tansparencia, por lo que puede ser usado en
ventanas, espejos, lentes, pantallas, entre otros.
E¡emplos de vidrio: el cristal que contiene óXJdos de
plomo. lo que le otorga un alto índice de refracción, y el
pyrex, que contiene óxidos de boro y aluminio que lo hacen
muy resistente a los golpes y a los cambios de temperatura.
Plásticos
La materia prima de los plásticos es el petróleo. Los plástkos se han
hecho habituales en nuestra sociedad debido a sus propiedades, ya
que son seguros e higiénicos, resistentes, ligeros, durables, adaptables,
reutilizables y económicos. A altas temperaturas se lunden, por lo que
pueden ser moldeados de distintas formas, obteniéndose así miles de
produaos.
El vidrio m~s antiguo que se
conoce data de tos allos
3000 a. C. los antiguos
egipcios lo fabncaban y
uttl•zaban.
Cerámicas
Las cer~micas tienen como materia p,1ma la arcilla o el caolín. Se fabrican tras el calentamiento y posterior enfriamiento de la materia prima.
Por sus propiedades aislantes son muy utilizados en las construcciones
y en la fabricación de herramientas eléctricas. Son ejemplos de materiales cerámicos: el vidrio. la porcelana y la loza.
11
Materiales semiconductores
Son empleados en fa microelectrónica,
por ejemplo en transistores y celdas
solares. Generalmente no conducen la
electr,cidad, sir, embargo, cuando
existen aftas temperaturas o se combinan con una peque~a cantidad de
otros elementos logran conducirla .
Los elementos del grupo IV A son los
más utilizados, por ejemplo, el silicio (Si).
..
!!,
.f
Banda de valencra
Metal
Banda de conducción
Banda de conducción
Banda de conducción
&
.s ES¡)áCiOenergéti<o "'¡¡ Espacio energético
Banda de valencia
semiconductor
Ba~da de valencia
Aislante
La ilustración muestra los espacios energéticos entre la banda de valen(a) Sem'conductor tipo-n
cia y la de conducción de un material metálico, un semiconductor y un
aislante. En el caso del material aislante, fa diferencia energética es
muy grande lo que ,mpos,bilita la conducción.
La capacidad de un semiconductor aumenta a través del dopaje, en el
que se agrega una pequeña cantidad de otra sustancia al material.
(b] Semi<ooductor 1ipo-p
Por e¡emplo, al silicio se le
puede agregar fósforo. que se
clasifica como una impureza
donadora <•uwación a)
po•que proporciona
electrones de conducción,
en cambio, si se agrega boro.
se,auna impureza aceptora
(i'uwación b), ya <fU<? son
deficientes en ele<11ones.
Materiales superconductores
Uno efe los problemas de conducir ta electricidad. por ejemplo, con cobre
y aluminio. es que poseen cierta resistencia eléctrica. por lo que pierden
energía en forma de caler cuando se calientan. En 1986, se descubrieron los materiales superconductores que se enfrían a muy bajas temperaturas. cercanas al punto de ebullición del helio líquido (4 K), perdiendo totalmenle fa resistencia. Hoy en dla se han sintetizado compuestos
superCO/lductores a 95 K, temperatura muy superior a fa del nitrógeno
líquido que es 77 K, por lo que este elemento es una muy buena opción.
Estos matenales pueden usarse en la cons1rucci6n de trenes rJpidos y
silenciosos (por efecto de la levitación}, para construir supercomputadoras muy veloces o crear campos magnéticos que generen aceleradores de partículas que permitan la fusión nuclear. Si bien los superconductores sen muy beneficiosos y prometedores para el futuro. su cos10 es muy
elevado.
Polímeros conductores (PC)
Como se sabe, los polímeros son muy malos conductores de la electri•
ciclad. por esta razón se les u1tliza generalmente como materiales aislan1es, sin embargo, en 1977 se descubrió el primer polímero conductor (PC), el trans-poliacetileno.
Los polímeros conductores, al igual que los semiconductores, pueden
ser dopados. Por ejemplo, el trans-poliacetileno puede doparse con
yodo, situación que ocurrió al descubrir este pruner PC . Esta situación
arrojó que tenía una conductividad eléctrica 1.000 millones de veces
mayor a la esperada. Desde ese día se ha empleado el dopaje en distintos polímeros como las poliarnlinas. polipirroles y politiofenos.
aumentando considerablemente la conductividad.
Estructura qulmíca de algunos PC
!Q}.
1
11
_;__L__fl'oliacet
__
Poi anil na (PANI)
leno (PA)
L__ _ __ ;_
Politíofeno (PT)
Los poífmeros conductores son utilrzados en múS<:Ulos artificiales por
electroqu,miomecánica; en ventanas inteligentes, que varfan su color
dependiendo de la luz solar y la temperatura, por electrocromismo; en
baterías recargables. por el almacenamiento de carga, entre otros.
Materiales biocompatibles
Son materiales que sustituyen una parte
del cuerpo humano. como, huesos, piel
o articulaciones. Son inertes por lo que
no causan rechazo al ser implantados.
Por e¡emplo. con estos materiales pueden crearse prótesis como las válvulas
para el corazón.
Para el diseño e rnjerto de los implantes,
existe un área llamada biomecánica, la
cual se encarga de estudiar la mecánica
Y dinámica de los tejidos Y las relaciones
O,sposi1rvo hecho de siticona para el 1ratamien10 de la
que existen entre ellos.
h1Crocefaha.
11
Todas las industrias químicas tienen como ob¡etivo principal aplicar las
reacciones químicas para obtener o fabricar productos de bajo costo,
de buena calidad y ocasionando el menor dano pos,ble al medio
ambiente.
Tipos de industrias químicas
De acuerdo a la matena prima utilizada para obtener el producto, exis•
ten industrias químicas:
■ de ba.se. Son aquellas que utilizan las materias primas bás,cas y las
transforman en productos intermedios, los que siNen de materia
prima para la fabricación de ottos productos.
Industrias químicas de base
Inorgánicas
• Metalurg;a
· • Ácido sulfúrico
- Amoníaco
· Aiufre
Orgánicas
• Petroqulmim
· Carbón
• Celulosa
· Metanol
■ de transformación. También llamadas química fina. son aquellas que
se dedican a la elaboración de productos finales, es decir, destinados al consumo directo. Estas industrias emplean como materia
prima los productos elaborados por las industrias químicas de base.
Industrias químicas de transformación
• ~ nilizantes y plaguicidas.
· Detergentes y jabone~
· Petfumetía y cosméticos.
• Plásticos y fibras sintéticas.
• Pinturas y colorant~
• Adhesi•,os y exploSM>s.
A diferencia de las industrias químicas de base, las industrias de trans- ,
formación poseen tecnología más especializada, producen peque~os
volúmenes de productos. y entregan productos de alta cahdad. pasando por un elevado control de calidad.
Etapas del proceso productivo
1
Clasificación de los
Etapas del proceso productivo
productos industriales
■ Productos qulmlcos básl· 1 ~
las primas
En esta etapa se p1eparan las materias
cos: se obtienen a parllr de
primas para el proceso químico de
materias primas básicas.
transfo1maclón. Este proceso se realiza a
Etapa de tratamientos
por procesos sencillos y en
través de la uituradoo, molienda,
físicos in•cia~
grandes cantidades.
ca~mamlento y mezda.
■ Productos químicos InterUna vez que se 11ene" las naterias
Etilpa de natamientos
medios: se obtienen de los
p,lmas procesadas. se someten a
químicos
productos químicos bási,ea.:ciones quím,cas aue las
cos. No son de consumo
trallSformaran en productos. Estas
transformaciones puedes Set s,mples o
dire<:to y solo se emplean
Etapa de tratamientos
complejas.
para la fabricación de pro•
físicos finales
ductos finales.
Una l'ez terminada la etapa anterio•, se
■ Productos químicos finales:
realiza una sep.iraci6n y purificación de
poseen las caracterfsticas
los
productos obtenidos, a uavés de
1
[ Piod:ctos
físicas y químicas para el
téo'licas como la destilación, extracción
consumo directo.
y cristaliza<ión.
_ ..J 1
~S-u-bp_r_.od_u_c_to~s
l
L
Control de calidad
El control de calidad consiste en un conju11to de
pruebas físicas, químicas y microbiológicas a
las que se someten tamo las materias pri•
mas como los productos finales para
co<'nprobar que cumplan con las normas establecidas.
En la actualidad muchas empresas
trabajan ba¡o la norma ISO 9000.
que es un conjunto de normas.
establecidas por la Organización
Internacional de Normalización, que
garan11zan la calidad de un producto.
Algunos criterios utilizados son: estable•
cer meras de calidad, garantizar que los
requerimientos del cliente sean satisfactorios,
capacitación para los empleados de la empresa,
comrol de los procesos de producc1611, entre otros.
- -==__J
Una de l.ls principales preocupaciones de la industria es la op11mización
de las reacciones que se producen en la obtención de un producto.
Para ello, se analizan factores como los siguientes:
Factor estequiométrico
El factor estequiométrico se p,eocupa de las relaoones cuanhtat,vas
que se producen en una reacción química eo1re los reactantes y productos. A nivel industrial se aplica el prinop10 de Le Chatelier para
aumentar el rendimiento de una reacción, ya que este estudia cómo la
presión, la concentración y 1.1 temperatura, modifican el estado de
equilibrio de una reacción. Por e¡emplo, según el principio de Le
CMtelier, una reacción se verti tavorecida en los siguientes casos.
lnclostria det amoniaco.
11
• Presión. Si en un sistema en equilibrio se aumenta la presión, se verá
favorecida la reacción que implique una disminución de volumen, es
decir, donde exista menor número de moles. Lo contrario sucederá
si se disminuye la presión.
■ Concentración. Si en un sistema en equilibrio se aumenta la concentración de uno de los reactanles, se ver/1 favorecida la formación de
productos.
■ Temperatura. Si en un sistema en equilibrio se aumenta la temperatura, se lavorece el sistema en el sen11do que absorba calor, es decir,
reacción endotérmica. S1se disminuye la temperatura, se favorece el
sistema en el sentido que libere calor, es decir, reacción exotérmica.
,
Estequíometría de la síntesis del amoníaco
N¡ (9)
+
3 H21g1
••
~
2 NH3¡g¡
t mol
3 mol
22,4 L
, 2s 9
67,2 l
2 mol
44,8 l
3x2g /
2x17g
---,v
34 9
34 9
PO< ejemplo, en el proceso de síntesis del amoníaco. llamado proceso
Haber, la producción de amoniaco se ver~ favorecida por un aumento
de la presión y un aumento de la concentración de nitrógeno o hidrógeno.
Factor cinético
El factor cinético se preocupa de la velocidad de las reacciones que inteivienen en el proceso productivo para la
obtención del producto. Así, la velocidad de reacción
es1ará dada por la can1idad de reactivo que se consume,
o producto que se forma, en un determinado tiempo.
La mayor parte de las industrias químicas utilizan catalizooores en alguna de las etapas de sus procesos productÍIIOS, ya que estos, aun en cantidades muy pequeñas,
favorecen la velocidad de reacción, permaneciendo ,nallerados.
En el caso del proceso de Haber, se ulitiza un catalizador de
hierro, más un pequeño porcentaje de potasio y aluminio.
Sin
catalizador
Con
cala izador
\., .., '
,
', , E•
'
.'
''
'
''
'•
..•' .........
''
'
~
Reacci•1os
Productos
Avance de la reacción
El g•álico muesua la influencia de un
cata'izador en a erergí.J de activacón.
Factor termodinám ico
El factor termodinámico analiza la viabilidad de las reawones químicas. es decir, la posibilidad de que estas ocurran, Así, de acuerdo a los
parámelfos termodinámicos, se 1endrá que la:
., Energia libre (t.G) indicará si la reacción es
factible o no.
Si .:.\ G < o, el proceso es espontáneo, la
reacción ocurrirá.
Si t.G = O, el sistema está en equilibrio. no
existe cambio neto.
Si ,\G > O, el sistema no es espontáneo, la
reacción no ocurrirá.
■ Entalpía (AH) mdicará si la reacción necesitará o liberará calor para produrnse,
Si t,H < o, la reacción es exotérmica, duran1e la reacción se libela calor
s, óH > O, la reacción es endolérmica, la
reacción necesitará absorber calor para producirse.
Como el proceso de Haber tiene un AH = -92,6 kJ/mol que es menor
a O, la reacción es exotérmica, por lo que se libera calor durante la
reacción. Ahora, de la ecuación: t.G = t.H - T óS y conociendo que
óS = O. 191 kJ/mol y que T = 723 K, se obtiene que AG < O. por lo que
la reacetón es un proceso espontáneo.
Producción anual 2005
(miles de toneladas métricas)
5.320,S
Fuente: Anuario 2006,
Coch,lco.
El cobre (Cu) se obtiene de minerales oxidados y sulfurados que se
encuentran en la naturaleza, los cuales a través de distintos procesos y
p,ocedimientos, generan el cobre puro. Al conjunto de operac,ones y
de procesos que se realizan para obtener metal de una mena se le
conoce como metalurgia.
Producción del cobre a partir de minerales oxidados y sulfu_r_a_do_s_ _ _ _ _ _)
Extracción de mineral sulfurado
[ (Calcopirita, Cufe51; Bornita. Cu 1FeS,.)
Extracción de mineral oxidado
(Cuprita, Cu10 )
Chancado
Se uitura e mine,a en chaocadoras y molinos, hasta
dejarlo de un t.lmalio menor a 112 pJlgada.
Cuprita
Molienda
El mineral se redu«? a menos de 0,2 milimeuos,
ta,naño ade<uado para la f otación.
Ca cop nta
lixiviación
Proceso hidrometahirgico es el que se p,o,,oca
a disolución del cobre desde su mine,al,
utmzando una disolución de ilcido sulfúrico
(H¡S04). Se obtiene sulfato de cobre (Cu504)
con una concentración de hasta 9 gil.
Flotación
Se concentra la pu•pa en celdas de flotación,
aumentando su contenido de cobre. Para e'lo.
se burbujea aire desde el fondo de las celdas
p,o,ocando que las panículas se adhie•an a las
bur'Oujas. suban y se acum~leo en la espuma.
Extracción por solvente
Filtración y secado.
Para levar el co1cent1ado al proceso de
fundidón es necesario dejarlo con menos del
5% de hu11edad. Esto se consigue secándolo
y li 1rándolo a fuego d ,e,:10.
La disolución de euso4 es sometida a la acción
de sol1•entes orgánicos que caotuian los iones
cu 1' en forma sele<ti•1a elimna1do las
·mpsezas de Fe. Al y Wn. El cobre se recupera
usando una disolució,, al:amesne ácida, co1 lo
que alcanza una concem,ación de 45 gil.
[
Electroobtención
1
r
Fundición
El corcentrado de cobre es sometido a alias
tempe1a1u1ilS en hornos de ·e•,•erooro cor la
final,cad de refinarlo. ob1e,ie,,do cobce bhsteI
con un 96% de pJreza.
[
Electrorrefinacióo
Electroobtención
Ane<»s y<á1odos
Se ubican alternadamente un ánodo y un
cátodo dentro de una disolución electrolit,ca
concentrada. El ánodo puede ser una placa
de plomo o de acero ,noxidable. y el cátodo,
una placa de acero moxidable. En el circuito
formado, la corriente entra por el ánodo(+),
pasa por el electrolito y sale por el cátodo(-).
l a corriente eléctrica atrae los cationes Cui.
hacoa el cátodo, donde se depositan con una
pureza de 99,99% .
(se utrcao alternadamerte)
Di-solución eléaroll!ic.a concenuada
Electrorrefinadón
Se coloca alternadamente un
ánodo de cobre blister y un cáto•
do inicial de cobre puro, en una
disolución de ácido sulfúrico.
Luego, se aphca una comente
elé<:trrca continua de baja intensidad, lo que prollOCa que el cobre
blister del ánodo se disuelva y se
deposite en el cátodo inicial. A través de este procedimiento se
logran cátodos con una pureza
mlrnma de 99,97%.
Cobre 8istc,
99,30%de
colY• flJlO
Ancdo
O.SOluc16n H1S0,
Propiedades físicas y químicas del cobre
Propiedades flsicas
Propiedades qulmicas
· Mela' de color rojizo y bti lo · Se oxida lenlamente al aire, cub·iéndose
metálico, exttaordinariamente de un compuesto ,,erdoso, que al adheri,se
dúct'I y maleab1e.
lo protege de la corrosión.
• Ctistaliza en el sistema cúbico • Es resislente al agua l'mpia y a agentes
y presenta una dureza de 2
químicos. los ácidos oxidantes, como el
a 3.
áC1do nítrico, lo corroen facilmente.
• luego de la plala, es el mejo, • Su industria ha ob1enido va,ias
aleaciones, corno: el latón (Cu-Zn), el bronce
conductor de electricidad y
calor.
(Cu-SnJy la alpaca (Cu-N,-Zn).
Electrometalurgia.
P,ocesos que se l evan a cabo
en las cerdas ell!Clloliticas.
Por e¡ernplo: elec11oobtención
y e!eC!Jonefinación.
11
En Chile, las reservas de petróleo son muy escasas y se encuentran en
el fondo marino. El petróleo se extrae a través de plataformas petroleras ubicadas en el inte<1or del mar, las que pueden ser flotantes o estar
ancladas en el londo. Los yacimientos petrolíferos chilenos se ubican
en el estrecho de Magallanes y en la isla grande de T,eua del Fuego.
Allí se han descubierto 23 yacimientos de los cuales se extrae petróleo
y gas natural.
A fines de 2001 la
producción acumulada
de peiróleo ascendía a
69.295 miles de m3, miemras
que para el gas natural era
de 91.256 millones de m3
Una vez que el petróleo crudo se extrae de un yacim,en10. este se
transporta por ole<Xluctos o en un buque-tanque hacia las terminales,
que pueden ser. los puertos de embarque, donde será exporiado. o
hacia las refinerías, donde se obtienen productos combusllbles deriva•
dos del petróleo. que son almacenados y luego distribuidos para su
comercialización. Chile cuenta con 3 terminales, Quintero. San Vicente
y Magallanes, en donde el petróleo crudo es recibido y almacenado.
Las pnncrpales plantas de refinación son: la refinería de petróleo Cancón,
ubicada en la V Región; la ref-,erla de petróleo Talcahuano. ubicada en
la VIII Región y la ,ef,ne<la Topping de Gregorio (Magallanes), ubicada en
la XII Región.
Petróleo
Gas natural
Producción anual 2005
(metros cúbicos)
Producción anual 2005
(r1illones de metros cúbicos)
192.032
2. 294
,
foente: Anua,io 2006, Cochilco
35
Producción mundial de petróleo • 2004 (o/o)
30
25
20
15
10
5
o
■None América
■ As,a Pacifico ■ Centro y Sur Amé1iu ■Europa y Euroasia
Petróleo a nlvel internacional
A nivel internacional la mayor reserva
de petróleo se encuentra en el Medio
Oriente. El primer productor es Arabia
Saudita, luego lrak y en tercer lugar,
lrAn. También cuentan con grandes
reservas de petróleo: México y
Venezuela en Aménca lat,na, África,
Europa Oriental, Rusia, Norteamérica y
el Le¡ano O11e,11e.
Refinación del petróleo
El petróleo se almacena para que sedimente y se separe del agua.
Luego, pasa a la torre de fraccionamiento donde es separado por destilación. de acuerdo al punto de ebullición y tarna~o molecular.
Planta de refinación
Condensador
...
...
...
...
...
...
Gas (a 20' ()
1
Gasolinas {JO 'C, 100 'C)
Querosenos (enue 200 i 27S 'C)
Diesel (en:,e 17S y 400 'C)
Petróleo combustible
Asfaltos
••
•
.....
•..
Gas natural
Gas natural
Fracdonadora
Gas ..,
Planta de proc.esa'niemo
Gas licuado del peuó'eo
Gasol n.- naturales
El gas na:ural que se ex1rae de los pozos es una mezc'a de gases COO\O etano. metano)' propano. Estos se
some1er a una colum.-.a de fracc onarrienio para ser separados.
11
Molibdeno
Porcentaje (%)
33,3
El molibdeno (Mol es un metal de color gris oscuro. No
se encuentra en estado puro en la naturaleza, sino que
se obtiene de minerales sulfurados, como el cobre. Por
lo tanto, el molibdeno es un subproducto del cobre,
extraído luego del proceso de flotación.
Chile es el segundo pals productor de molibdeno en el
mundo. luego de Estados Unidos.
12,8
1
0,5
Cobre Molilxleno Plata Oro
Elemento
El gráfico muestra las
reservas chilenas de los
principales minerales
metálicos como porcentaje
del total mundial. El cobre
ocupa el prime, lugar mundial
y el molibdeno el ~undo
lugar.
Producción anual 2005
Cfoneladas méuicas)
47.747,6
-------Fuente: Anuarro 2006. Cochilco.
Este metal es utilizado como materia prima para produc,r aceros de
alta resistencia a la temperatura y a la corrosión y, adem~s, altamente
duraderos. También son usados en superaleac,ones, lubricantes, químicos y electrónica.
Plata
La plata (Ag) es un metal sólido blanco, bnllante y blando. Se puede
encontrar en la naturaleza en forma nativa o asociado a minerales
como argentita, plomo y cobre, del cual es también un subproducto.
Para extrae, la plata de la mena, primero se pulvenza la mena y luego
se trata con una disolu<:ión acuosa de cianuro.
En Chile los principales depósitos de plata se encuentran entre la III y
IV Región.
Producción anual 2005
(kilogramos)
1.399.539
Fuente· Anuar,o 2006, Cochilco.
Mujeres m.1puches con platería chi ena.
11
Hierro
El hierro (He) es un metal de color gris con brillo metálico. Si se expone a la humedad se oxida formando herrumbre, lo que puede evitarse
med,anle dos procesos: aplicando antióxidos, es decir, pinturas, o a
través del galvanizado, donde se recubre el hierro con otros metales,
como el zinc.
Los minerales de hierro con concentraciones adecuadas para su explotación son la hematina y la magnetita. En Chile existen yacimientos de
hierro en la 11, 111 y IV Región.
Proceso de producción del hierro
El hierro se obtiene en un alto horno por reducción química.
0
Calentador
de aire
1 Mater~ 1>Jima
mena, coque y pied•a caliza
(fe¡O¡. Fe¡O,)
2 Sa'ida de gas
3 Sólidos descie<iden
4 Gases ascienden
5 Capasmine,a' de carbón
6 Entrada de ai1e caliente
7 Salida de impurezas
8 Sal,da de hierro fund do
Producción anual 2005
(miles de toneladas mé!rica
j )
7.862,1
Fuente: Anuano 2006,
Coch,lco.
----
111
Industria del salitre
El salitre est~ formado pnnc,palmente por nitrato de sodio (NaNO)l. En
los yacimientos se encuentra junto al nnrato de potasio (KN03) y iO<lalo
de calcio (Ca(IO 3)¡). En Chile los yacimientos de salnre más importantes
se encuentran ubicados en la II Región, en el desierto de Atacama.
Producción anual 2005
(Toneladasmétricas)
t.282.StS
Fuente· Anuario 2006, Coch,lco.
Historia del salitre. Enue
los años 1800 y t 920, el
salMe fue el principal
producto minero de Ch;le,
que pasó a ser el ma)'or
exportado, mund al. Todo
term'nó cua11do se creó el
saltre simét,co. Chile es hoy
el único pals producto, de
salitre.
El salitre se utili2a en la agricultura como fertilizante, en la industna far•
macéutíca y en la fabricación de explosivos.
Industria del carbonato de litio
El litio (Li) es un metal blando, maleable y muy reactivo. Su exttawón se
realiza por medio de bombeo de las salmueras, ubicadas a unos 30 m de
profundidad. Luego, se deja evaporar el agua obteniéndose una disolución saturada con m neral de litio más concentrado. el cual contiene
S,8% de carbonato de litio, adem~s de sales de magrlesio y boro. El carbonato de litio se separa de los otros minerales por drlerenoas de solubilidad. obteniéfidose el carbonato de htio puro.
Esquema s,mplif,cado del l)loceso de producción del
salille, Otfos mine,ales no metálicos.
CALICHE
•7
Producción anual 2005
(Toneladas métJicas)
f.Jolienda
LixJcion
J
t:
1
Ctistalización
Sulfato de sodio
f
43.595
Fuente: An<>olrio 2006, Coch,lco.
Planla de )'OOO
LCristalizació~
~
~ ---
Chile cuenta con importantes reservas de carbonato de litio, ya que las salmueras se obtienen del
salar de Atacama e11 la II Región .
v: o 1
KNO¡
~ - - ---'
-
El carbonato de litio se utili2a en la industria farmacéutica y para fabricar productos como el vidrio y
la cer~mica. en1re 01ros.
Industria del yodo
El yodo (1) se encuentra en la naturaleza en forma de yoduro en el agua
de mar y principalmente como yoduro de sodio (Nal) en las algas.
También se extrae como subproducto de la purificación del salitre. el
que se encuentra en forma de yodato de sodio {NalOJl, este mineral se
encuentra en el filtrado que se produce por la cristalizac,ón del salitre,
el cual se mezcla con b1sulfato de sodio. En este proceso el yodo precipita en forma sólida. luego se lava, prensa y purifica por sublimación.
Yodo. El yodo como tintu,a
se usa en la desinfección de
heridas, también se usa el
~do en los fá·macos, en la
fabricación de colorant~
de1ivados del alquitrán y para
re1•elar películas fotográftcas.
Producción anual 2005
(Toneladas métricas)
15.346
-,-,------'
F,~,te: Anuario 2006. Coch1lco.
Industria del azufre
El azufre (S) nativo se encuentra en zonas con depósitos de origen volcánico o formando minerales como sulfuros metálicos y sulfatos. f>ara
obtener el azufre existen dos métodos. los que dependen de la ubica·
c,ón del crepósito: el de Frasch. para yacimientos a más de 1so m de
profundidad, y el de Cakaroni, usado para depósitos superficiales.
Método Frasch. Se colocan tres tubos concén1nc05
que alcancen los depósitos subterráneos. f>or el
tubo externo se inyecta agua a presión, a unos
120 ºC. lo que funde el azufre. f>or el tubo central
se inyecta aire comprimido, el cual ejerce presión
sobre el líquido para que suba por el tercer tubo.
El azufre obtenido puecre me¡orar su pureza por
destilación en atmósfera de dióxido de carbono.
Método Calcaroni. Se separa el azufre del yeso y
del resto de rocas. Se cal1en1a a fusión para que
licúe y escurra por el piso inclinado del horno.
recogiéndose en moldes de madera donde se solidifica ("azufre de cañón " j. La porción de los
vapores que choca con la parte superior del horno
pasa directamente al estado sólido, obteniéndose
azufre de gran purew, llamado "flor
azufre".
ere
r
Ai1e comp1imido
Agua-- --- -:lla.
Tierra- --:.~
Azufre
licuido
Mi1eral
de azufre
Amoniaco. Se usa como
materia p,ima para la
elaboración de productos de
limpieza, fibras siotética~
explosivos y fenili2an1es.
Amo niaco
El amoniaco (NH3) es un gas incoloro que se obtiene a través del proceso de Haber, en el que se hace reaccrooar hidrógeno y nitrógeno
gaseoso. a altas presiones y temperaturas. en presencia de un catalizador Ner pp. 304 y 305). La reaccrón de síntesis del amoniaco es:
N2 cg} + 3 H2 (g;
Hidrógeno
puro
Nittógeno
puro
4
fZ 2 NH3 Cg} + 9 2.6 kJ/mol
Gases re<í<lacos
,'uroníaco
gal<O>O
Cámora de
condensación
C.lmara de c.,!.llisis (fe y
pequM>< cantidades de K y Al)
La reacción se p-otluce a a!tas
temperatu•as ypresi..-,s. A med~a
que ~•an¿a la reaco6o e-1m.imtfo de
moles de gas cisn nU)"(' {de 4 a 1).
por lo que <!«>e p•oduó"" J Jitas
p1eliones p.xa de~pl-clla1el equi 1bno
hada los productos
2 ta umcción clcl>~ realr1ais~ en
prese(l(ia de un cat.al;1.)t'Jor que
autrfnta la w-loc:idad et& la re.Kción.
3 El illr<lnlaco se obt. .,, en estado
liqúidc.
4 Los gases n, 1 H1que oo rea«ionas,
se ,eodart
Acido sulfúrico
El ácido sulfúrico (H2S0 4) es el ácido de mayor consumo mundial y el
de menor costo entre los inorgánicos. Se usa en la refinación del petró•
leo. en la fabricación de fettihzantes, en la metalurgia de metales como
el cobre, hierro y manganeso. entre otros. Su proceso de producción.
llamado método de contacto, es el srguiente:
0••
•
• Mate,ia p.-ima: a1uf1e, agu.a r a11e
COfl',fflido,
2 t os minerales de arof1e se 'une(;() .
3 Se hace ~sar u·Hho110 de aire
soco por el horno pa1a obtene,
di6>:ido de az.Jh :
Sw, 02 ,1: ➔ SOi,9:
4 El dióxioo de azufre se con-.ie-rte
e-n lfióxido ce azufre en p1ewncia
Ao :fa sulfUrico
cor<~ t,ado
de un catalizador ~·0~
2 S0101 + 02~ ➔ 2 SO](g,¡
5 El tr óxido deª'""' se diweh·e
eo agua pa,a obtetie, el ácido
sullu•,co·
SO¡ ¡,¡¡ + H¡O,~ -, u,SO,,,;
Industria del cemento
Su fabricación se realiza mezclando cantidades determinadas de caliza
(CaCO3) con arcilla, formada por sílice (SiO2). óxido de hierro (Fe 2O3)
y aluminio (Al2O3). Estos minerales siguen el siguiente procedimiento:
Cal,za
Mezclado en tarr,:>01giratorio
Atolla
\'~oy
cenizas
Las rocas pulverizadas se
calcinan produciendo el
clinker, q,ie al secarse y
mezcla,se con yeso se fo,ma
el cemento.
Cuando el cememo sólido se
mezcla con arena, grava y
agua se forma el horm'gón.
Horno glra10<,o de coc<lón \ 1.450 'C). calcinación.
Industria del acero
El acero es un material de alta resistencia y dureza. formado por una
aleación de hierro que contiene entre 0,3 y 1,4% de carbono y d iferentes cantidades de otros elementos. Para ob1ener el acero se utiliza
un proceso de oxidación en el cual las impurezas se eliminan mediante su reacción con oxigeno.
Posición
de
ll>sici01 de soplado
1renado
Posicón de
,,ao,dt)
I
Hleuo en bnJ.to
Entr.>da de a11e
Depósito
de
vad<ldo
El hierro fundido provellien1e
del alto horno se vacía en el
con•1er1idor, el cual puede se,
girado en diferentes
posiciones. Por el fondo del
converlidor ingresa aire con
el fin de oxidar las impurezas
cel metal y lorman óxidos.
Como el proceso de oxidación
es exotéfmico, la temperatura
se mantiene sin la necesidad
de adminis1rar calor. Después
de 20 minu1os
aproximadamente la
oxidación 1e,mina y el aceto
se vacía.
mi
Industri a del vidri o
En la fabricación del vidrio existen dos tipos de procesos: el de flotación, que produce hojas de vidrios las cuales pueden ser usadas en ventanas o superficies de mesas. y el moldeado del vidrio que es utiliZado,
por e¡emplo, para la fabricación de las botellas.
Proceso de flotación
Moldeado del vidrio
17'Matefias pnmas
J
Enfoam ~nto
iO
r
lemo: ftdlio
~ láminas dHidrto
Industria del papel
El papel se obtiene de la laminación de una pulpa compuesta de fibras
de celulosa extraídas de la madera El proceso productivo del papel
cons1a de cuauo etapas:
1 Frag"1emaci6ndt 1a
madera eo ast !las.
2 Preparado de la pulpa
de JJ-Opo1. Las a,tjlas se
ca ientan y se h.a<en
rcaceiona1c011 sus1ancias
ASlilas
Rewrso:
é1boles
c..imicas pa1a separar las
f 'tiras de celtJlosa.
J Trau,...,,:o de la putpa.
Se rrezda con agua'/
produoo~ quimicos
(relleno, apre110,
pigm•n101 y cooantes)
has1a <Onsegul•ul'la
pasta uoi'crme.
4 f.omla<ión ée la hoja de
papel por lam1";,o6n
tscr e c'c rooillos) y
e irrinación del agua.
Máqu·"l.l ce
laminació(I
.. -•
j
Industria de los polímeros
Las fibras y los pláshcos son polímeros termoplásticos, es decir, se fun•
den por acción del calor y son rec,clables. Estos, al estar fundidos, se
pueden moldear generando productos de gran utilidad, resistentes y
livianos. Algunos méto<los usados para su fabricación son:
Extrusión. En este proceso, u11
l0trn 'lo g •~tOfio uaosporta 0),
g1anu!os de plástico a unos
calefactores para fundirlos, se
Í<Ymo un líquido e,pesc y
peqa:o~ que se hace pasara
J>'OSlón P<N una boquila qu•
moldea el pl.lsuco lundic'o. que a l
oor1iars:e se tndurec~. Este p,oceso
st u~ pa~ formJr tub05- y
1
0
-
láminas.
1 G,ánulos ée pl.\s1i<o. 2 los 91j nulos pasan a los calcfa<10,es P<N preslói.
3 En los car.factores los grál'<Jlos ce pástico se t ndcn. 4 le moldea el pl.istlCO lundido.
Vaciado. Esre procoso tarrbiln
ltWr.aC:> mo.deado, da fo11l'..a .1
pl.is1ico. Los g•á•ulos entran a la
,raquh a rlJ)Vlsados a p,esión.
l;ego pasas a un <alela<to, docde
se funden. El plástico t'quldo es
iotroduodo a .. n mokle que se
1clri9e,a ¡,¡,ca solid fea, el
p~tico. Po< ejemplo. se usa en
(M<O~ de cid >tas.
1<ifanu!os ce p1ásrico. 2 tos 91ánu!05, pasan a los calcíac:tores por
J>'ts16n. 3 S. 'uM,n IOS 91jnulos •• u• calebclOI. 4 luego la rneztla llcuida
se moldea y~ rerrigera par,l ob:ener el p1od.:<to.
Conformado por vado. E~e
p,'oteso wmi11? dar al plástico
'crmas compliuid.as. Páia e1lo una
1a,.;na de p'Jsf,o se coloca bajO
uo ca t factor. ':' sobre e node-, se
cal enta¡· luego se ex,rae do e11•
el ai1e med C."te 1.ina borrba de
,a<lo. La lám,·a con el cal<Y se
ablanda, y ts absorbida por el
no de oo, diferencias de 1)resión .
Al ..r,iarse. el plálli<o se
enc,,,1ece y to-na la 'orma del
mofde. Este s~h:ma si'\•e, pot
oj<trplo. P"'ª fab,icar os vasos
pl.ls,icos.
1 Calefact01. 2 Mo d<. 3 Bajo el calclacto, se coloca la 'ámi•a dt pl.islico y se cali,nla.
4 la presión ce ai•e hace que la lámina ce plás1<0 sea al)soibida tomando la lo·ma
deseaoa.
Residuos
Un residuo es un material, orgánico o inorgánico, originado naturalmente o producto de una actividad, que no presenta utilidad para
quien lo ,iene, por lo que no es reciclado. reutilizado o recuperado. Los
residuos se pueden clasificar según:
1 Residuo 1
$
~
Residuos industriales. La
comaminación producida a
nivel industrial se agrava
cuando los residuos son
dilid'es de degradat
l[J as
l liquido !
1
01igen del residuo
muni<ipales
1 mineros¡!
rnduslriales
hospitalarios
inene
no peligroso
Residuos industriales
Es lodo desecho sólido o semisólido que se genera en los procesos productivos, por el proceso u operación industrial.
El daño que causen los desechos industriales de1>enderá de las características químicas, biológicas y físicas del residuo, y del lugar en que
se genera y deposita. Así, por ejemplo, un residuo sólido como una
lata de bebida demorará cientos de años en descomponerse, un resi•
duo líquido (riles) industrial contaminará las aguas cercanas a la industria, y las emisiones gaseosas emitidas por la industria, acelerarán el
calentamiento global del planeta.
l.4~ ée ;::ihJmi"lio·
80 a 100 año,.
8otellos de vidno:
1.000.000 a,íos.
8-0tellas de pláslico:
i irMado,
Medidas contra la contaminación industrial
En Chile los organismos de salud amb1en1al han estable<ido leyes y
normas que obligan a las 1ndus1r1as a implementar medidas para un
manejo correcto de los residuos y las emisiones gaseosas. De acuerdo
a esto, algunas de las medidas implementadas por las industrias son:
■ reducir las pérdidas de materiales.
■ reducir el gasto de energía.
■ sele<cionar y utilizar materiales ele menor impacto ambiental.
■ reducir el consumo de agua y el volumen de los vertidos.
■ implementar sistemas de tratamiento de residuos y gestión ambiental.
■ reducir el nivel de contaminación acúst1Ca.
Bajo el concepto de cero emisiones y aplicando el principio de las ·· tres
erres", los residuos industriales se pueden disminuir en gran =ala o
incluso eliminar por completo, convirtiéndolos en materia prima para
nuevos productos.
Cómo ayudar desde la casa
Reducir. Tratar de evitar que se genere más basura. por e¡emplo, disminuyendo el consumo de materiales sintéticos como los pl~strcos. En
vez de comprar bebidas en botellas plásticas utihzar las botellas de
vidrio
Reutilizar. Pensar que no todo es basura;
por ejemp'o, un tarro de le<he desocupado. en vez de botarlo. se pueden guardar
alimentos o l~p1ces.
Reciclar. Utilizar los materiales de desecho
como ~1a1eria pruna p~ra fobricar olros
pmductos. Por e¡emplo, separar los cartones y papeles. y entregarlos a personas o
inst1tuoones que los recole<tan para venderlos a las 1ndvW1as c;ue los rec,clan.
Normas ambientales.
Actualmente muchas de las
empcesas se han acogido
al sistema de gestión
med1oarrbien1al 1SO 14001,
re<ouocido
i~temacionalmente y
ap'kable a cualquier sector
Slmbolo de reciclaje
e·ercicios
1. ¿Qué diferencia existe entre un material
natural y uno sintético?
2. ¿Qué es la materia prima y de dónde se
obtiene?
3. ¿Qué se entiende por elasticidad?
4. Nombrar tres caracterlsticas de los materiales
metálicos.
5. ¿Qué son los materiales biocompatibles?
6. ¿Cuál es el objetivo del control de calidad?
7. ¿Para qué tipo de mineral se utiliza el
proceso de extracción por solvente?
8. ¿Cuáles son los componentes del gas natural?
9. ¿Por qué es importante el molibdeno para
Chile?
1O. ¿Cómo se extrae la plata de la mena?
11. Indicar el uso que se le da a los siguientes
minerales:
a. Salitre.
b. Carbonato de litio.
c Yodo.
d. Ac,do sulfúrico.
12. ¿A qué tipo de industria corresponde el
método Frasch y el Calcaroni?
13. ¿Cómo se obtiene el hormigón?
14. ¿Cuáles son los materiales menos
biodegradables?
15. Clasificar los siguientes ejemplos como
fabricación directa o indirecta de materiales.
a. Fotografía.
b. Monumento de piedra.
c. Jeans.
d. Cuchara de palo.
16. Indicar un ejemplo donde se observen las
siguientes propiedades físicas de los
materiales:
a. Transparenoa.
b. Resistencia.
c. Flexibilidad.
17. ¿Qué características tiene la lana de vidrio
que la hace ser un material ignífugo?
18. Clasificar las siguien1es industrias como de
base o de transfonnación.
a. Amon1aco.
b. Carbón.
c. Cemento.
d. Farmacévtica.
19. ¿En qué consiste la electrorrefinación?
20. ¿Cuál es el método de separación de la
columna de fraccionamiento del petróleo?
21. ¿Cómo se obtiene el hierro 7
22. Indicar las reacciones que ocurren en el
método de contacto para obtener el ácido
sulfúrico.
23. ¿Qué es el dopaje y para qué se utiliza?
24. ¡Por qué para cocinar se debe preferir
utilizar utensilios con mango de plástico o
de madera?
25. la reacción muestra el equilibrio entre el
oxígeno (02) y el ozono (03). Indicar qué
factores favorecen la formación de ozono.
ó H = 284 KJ
Solucionario
1 Los materiales naturoles son exttaídos directamente de la narn1ale1a, como de un animal o vegetal; en cambio,
los materiales s"ntéticos son elaborados por el se, humooo en laboratotios.
2. Es un mate,ial ratural o poco translormado que se utjliza para fab1icar un prodooo. Se obtiene de la h drosfera,
litosfeia y atmósfera.
3. Es una p1opiedad de los mate,iales que se produce al apficar una fuerza sobre este, siendo delo,mado y
•1olvíendo a 1ecupera1la forma inicial.
4. Son buenos conductores del calor y la e emicidao, son dúctiles y maleables.
5. Son nuevos mater;ales usaoos para sus1ituir pa,tes del cuerpo me101ando la calidad de vida de las persona~
6. SupeeJisar que se cumplan las normas tanto en las matei,as primas como en los productos finales.
7 Para e' mineral de cobre oxidado, por ejemp1o, la cuputa.
8. Eta10, propano y metano.
9. Porque Chile es el seglllldo país productor mundial, ya que este se obtiene como subproducto del cobre.
1O. Primero se puh•e1i2a la mena y luego se trata con una disolJción acuosa de cianuro.
11 , a. Como fertilizante, en la industria fa1macéu1i<:a y en la fabricación de explosivos. b. En la indust11a
farmacéutica y en la elaboración de vidrios y cerámicas. c. Para la desinfe<ción de hendas, en los fármaco~ en
la fabricación de colo,anres. d. En la refinación def peuóleo, pa1a fertihzantes y en la metalurgia de mNales.
12. Coiresponden a la indus1ria del azufre.
13. Se obtiene al mezclar el cemento só'ido con arena y g,ava.
14. Las botellas de vidrio y las de plásticos. Estás últimas no se degradan e~ el tiempo.
15. a. lndi1ecta. b. D11e<ta. c. Indirecta. d. Oi1ec1a.
16. Por c¡emplo: a. Ventana. b. Metal de las grúas conoci<las como plumas. c. Las tapasde envases plásticos.
17. lieren la particularidad de apagarse al quita1les la fuente de calor, por lo que el fuego no se propaga.
18. a. de base. b. de base. c. de transfo1rnoción. d. de transformación.
19.AI obtener el cob,e blister, este se ub,ca ;unto al cob,e pU'o, dentio de una disolución electrolítica. Se aplica
comente, lo que provoca que el blister se disuet,a y se deposite en otra placa, pmducieádo cobre de 99,97%
20. Los p,cxJuctos se separan po, d<?stilacióH iracoonada.
21. Se obtiene en un aho norno po, 1educoón química. En la cuba los sólidos descienden y los ga~ ascienden .
,.
.
22. S ;,; + O,¡,; -> SO¡ (()} 2 SO 21~ + Oz :g: .:_; 2 SO¡ 1g¡; SOH'll + H20 i1I --+ HzS0411¡.
23. [ n e dopaje se ag,ega a en elemento semicondu,1or una pequeña cantidad de otro elemento, aumentando su
conductibilidad.
24. Se delien preferir estos ma:er ales porq~e no son cor ducwes té1mico~ !o que
25. Es favorable: aumentar la p1esión, la coHcen/raoón de 0 1y la teinpeiatu1a.
mta posib4es quemaduras.
,
.
Hitos en la historia de la u1m1ca
Nómadas
Química en la prehistoria
■ En esta época el ser humano usaba los materiales tal cual se los pro•
porc1ooaba la naturaleza. Las piedras podlan ser martillos; los huesos,
arpones, y las pieles, refugoos. Para las pinturas rupestres utilizaban
colorantes naturales. Obtenían el ,ojo de minerales de hierro y el
negro del carbón. De todos los materiales, el más duradero era la piedra. la que tallaban y pullan para construir herramientas. Este petÍOdo
corresponde a la edad de piedra.
■ El descubrimiento del fuego le permite defenderse de depredadores.
protegerse del frío, cocinar y transformar los matenales. Su uso y
mantenimiento rue un fact0< determinante en el desarrollo de los primeros asentamientos humanos, y en el término del nomadismo.
■ Al pasar al sedentarismo ocurrie,on dos ,nnovaci0t,es técnicas: el tejido, el cual se fabricaba de la lana de animales. y la cerámica, que se
moldeaba a mano y se cocla en hogueras. ESta técnica permitió <we
aparecieran utensilios como vasijas y platos.
Periodo antiguo (2500 a 300 a. C.)
■ En la edad del cobre se aplican las primeras técnicas pa,a trabajar un
mineral. El cobre se obtenía al calentar malaquita, sin embargo. era
un metal muy blando paril fabricar herramientas y armas. Luego
observaron que al mezclarlo con estano, formaba un metal duro y
resiStente, iniciándose la edad del bronce. Sin saberlo obtenían alea·
ciones por fundición. Simulláneamente, se utiliza el hierro, que era
más resistente que el bronce. Obtener hierro por calentamiento era
muy dificil. Fueron los hititas quienes perfeccionaron las técnicas de
fund1oón, dando comienzo a la edad del hierro.
■ Los egipcios w bres.,lieron en las técnicas metalúrgicas. Ademlts preparaban jabones. perfumes, papiros, vidrios, bálsamos y venenos. y
elaboraban pan y cer\>eZa, aplicando la fermentación.
■ ¿Cuál es la sustancia básica de todo? Para Tales de Mtleto era el ¡,gua;
para Anaxímenes. el aire: para Her.lcl,to de Eteso, el fuego.
Empédocles de Agriento postula la teoría de los cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego, tos cuales están constituidos por peque,,as
partículas. Teoría enriquecida por Aristóteles de Estagira, quien
plantea ta existencia de una mateno primaria llamada elemento, y
cuatro cualidades: frlo. calor, húmedo y seco. La combinaoón ele dos
cualidades daba or,gen a ta mater,a primaria.
■ Leucipo y su discípulo Demócrito de Abdera desarrollan la concepoón
atom,sta· la materia est~ formada po, un f)(,me10 infinito de unidades
indivisibles. a las que llamaron átomos.
Alquimia (100 a. C. a 1500 d. C.)
■ Alquimia proviene del árabe: al y khum, que significa ciencia oscura. Nació en el Oriente helenístico y tuvo su mayor
Zinc
esplendor en la Edad Media. Los alquimistas aseguraban
que su misión en la tierra eta encontrar la piedra filosofal,
,_) Plata
Estallo
sustancia capaz de transformar metales comunes. como el
esta~o. en metales nobles, como et oro.
■ Personajes destacados fueron: San Alberto Magno, Ramón
Cal,iva
Cobre
Llull, Roger Bacon, Arnaldo de Wanova, Paracelso e inclu,
so Newton, el primer gran oentifico moderno que, aunque
Plomo
""v" Agua
no se dedicó PO' completo a la alquimia, la citó con fre,
cuenda en sus obras.
~1lelcurio
Aire
■ Uno de los aPOrtes más impor1antes de los alquimistas fueron los equipos de laboratorio, como los alambiques; las
técnicas expenmentales. como la destilación, sublimación,
Fuego
Híe«o
calcinación y cristalización. También métodos para preparar
&;:o caroón
especies químicas como antimonio, bismuto. lósforo y
sal
zinc, cloruro de amonio, nitrato de potasio, alumbre. y los
Simbobs alquimrstas.
ácidos sulfúnco, nítrico y clorhídrico.
En esta época se comienzan a utilizar los primeros sírnbolos para los
elementos: sin embargo, la intención de esta simbología era ocuhar
información y hacer los procedimientos más incomprensibles, muy
distinto a lo que hoy son los símbolos químicos, que tienen un carácter de lengua¡e universal.
@ 0to
4
't-
latroquimica (siglo XVI)
■ Período que se caracteriza por la introducción de productos quim1cos en la prácttca méd1ai.
■ Se aplican los conocimientos y las técnicas de la
alquimia para elaborar remedios y drogas. Se
curan enfelllledades usando extractos minerales y vegetales.
■ Su principal impulsor fue Paracelso, quien se
desiacó por la ut1lizaoón de compuestos quimicos en la med1cma. Adquiere conocimientos
sobre las reacc,ones químicas y los efectos que
producen los medicamentos. Para curar enfermedades usa medicamentos de origen metálico,
emplea el opio y usa alcohol para p<eparar tinturas.
Q
ci
~
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e
cf
!::,
e
Robelt Boyle.
Demócnto
11
Flogisto (siglo XVII)
■ Robert Boyle postuló que el progreso de una verdadera ciencia se
basa en la acumulación de p<uebas experimentales qve fundamentan
los conceptos y los términos. Asl, la defirnoón de elemento pasa del
c;impo de la especulación metafísica al experunental. El término elemento, en este contexlo, ~ene un significado denvado de la practica
y un sentido provisorio que no serla superado hasta el siglo XX, cuando se descubre la ve<dadera naturale:ra de los elementos.
■ Georg Stahl postula la teoría del flogisto para explicar el fenómeno de
combustión. Según Stahl, los melales calc,nables son cuerpos compuestos, formados por el flogisto y un material terroso: la cal del
metal. La calcinación, por lo tanto, es un p,oceso por el cual el metal
se descompone en flogisto y cal. mi<?ntras qve la reducción es un proceso que permite a la cal recvperar el flogisto perdido. Lo que quedaba tras la combus~ón no tenia flogisto y. por tanto. no podía seguir
ardiendo. El aire era 111d1spensable para la combustión, pero con
carácter de un simple auxiliar.
■ Robert Boyle postula que el calor es una tonna de movimiento de la
sustancia. Cenlfó su interés en el estudio de los gases. la compos,c,ón
de las sustancias químicas y la combustión.
Desde mediados del siglo XVIII hasta fiMs del siglo XIX
■ La química, como ciencia experimental está marcada por los trabajos
de Antaine LaurenL ele Lavoisier, quien inte,preta la combustión como
una reacción química en la que interviene el oxigeno. rompiendo con
la idea del ilogiSlo. Lavoisier enuncia la ley de la conservación de la
materia, e inlfoduce la balanza para medir la masa de las suSlanoas.
■ Destacan los cienHficos: Joseph PriesOey, que logra aislar el oxigeno.
Henry Cavendish, qve de1errnina la composición del agua y algunas
de las constantes ílsicas que permitieron diferenciar los gases. John
Dalton enuncia la teoría atómica de la materia, sobre la base de la
experimentación. En eS1a propone que la materia se divide en dos
grandes grupos: los elementos, formados por unidades fundamentales e indivisibles, que en honor a Demócrito llamó átomos. y los compuestos, formados por moléculas que tenían una estructura dada por
la unión de átomos en prol)()(ciones delinidas y constantes.
■ Edmund Cart,vright translorma la industria siderúrgica y textil.
mediante el telar mecánico. George Stephenson construye la locomotora a vapor, provocando un gran aumento en la producci611 de acero.
Principios del siglo XX
■ Se descubren las partículas subatómicas, se plantean modelos atómicos, se interpreta el íenómeno de la radiactividad y se aplica la energía nuclear. Muchos científicos destacan por sus traba1os: J. Thomson
descubre el elear6n. E. Rutheriord descubre el núcleo atómico. N.
Bohr postula los niveles de energía en el átomo. w. K. Heisenbetg
concibe la mecánica cuántica matricial, y enuncia el princ,pio de incertidumbre. E. Schródinger contnbuye a la mecánica cuántica, a través
de su ecuación de ondas. P. M. Oirac desarrolla un modelo matemátKo en el que unió el trabajo de Heisenberg y de Schr0d1nger.
■ En química orgánica, F. Kekulé determinó la estructura molecular de
los compuestos orgánicos. Aunque desconocía la naturaleza del enlace químico. formuló, según la valencia de los átomos. un ordenamiento en la estructura molecular de las sustancias. F. Wóhler descubre que
el calentamiento de una sal (cianato amónico) producía la urea.
■ L. H. 8aekeland obtiene resinas terrnoestables mediante la condensación del fenol y el formaldehldo, consiguiendo el primer plástico totalmente sintético. la baquelita.
e Schród-,9&1
Mediados del siglo XX
■ Las dos grandes guerras mundiales dan un impulso al desarrollo del
conocimiento científico. con fines relacionados con la tecnología militar. En la década del 40, se crea, en Nuevo México, el Laboratorjo
Nacional de Los Álamos. para la fabricación de la bomba atómica.
■ Científicos destacados: R. Kuhn descubre ocho nuevos tipos de caroteno1des. P. Erlich es considerado pionero de la quimjoterapia. D. C.
Hodgkin determinó, mediante el uso de rayos X, las configuraciones
moleculares de la pernciina, la -.itamina 812. la insulina, y otras protelnas. K, Ziegler y el italiano Giulío Natta (1903-1979) dan ongen a un
nuevo período en el campo de las síntesis de polímeros vmll1Cos.
Principios del siglo XXI
■ A, J. Heeger, A. G. rvtacD,armid y H. Shirakawa descubren una nueva
generaClón de polímeros conductores.
■ En el 2002, J. B. Fenn, K. Tanaka y K. Wüthnch desarrollan métodos de
identificación y de an~lisis estlVCtural de macromolé<:ulas biológicas.
■ En el 2006, R. D. Kronberg recibe el Nobel por sus estudios de la base
molecular de transcripción genética. Todos estos avances han perm1t1do seguir estudiando e identificando toxinas y genes, entre otros elementos que permiten conocer las causas de algunas enfermedades.
como, por e¡emplo, el cáncer,
Mano de Roentgen ,..;,;ia a
tril\<és de tos rayos X.
Reseña histórica de remios Nobel
Alfred Bernhard Nobel (1833-1896)
Qulmico nacido el 21 de octubre de 1833 en Estocolmo. Desde pequeno se interesó en la ingeniería, profesión Que ejercía su padre. Estudió
en San Petersburgo, perfeccionándose en París y Estados Unidos. En
Suecia fundó varias fábricas de explosivos en las que se trabajaba con
nitroglicenna. Luego de una explosión en una de las Mbricas, donde
falleció uno de sus hermanos. nace su más importante descubrimien•
to: la manipulación segura de la nitrogbcerina, lo que logró mezdán•
dola con un materiat poroso, por lo Que ganó el premio lettersdtska
de la Real Academia de Ciencias de Suecia, otorgado por "inventos
importantes de valor práctico para la humanidad". Muere el 10 de
diciembre de 1896. En su tesiamento deja una pequeña parte de su
fortuna a la familia y el resto lo otorga a premios para quienes durante el año anterior. hayan de¡ado un legado a la humanidad.
=·
Jacobus Henricus van·t Hoff (1852-1911)
Químico y físico holandés. P11mer c,enlífico en ser galardonado con el
premio Nobel por su traba¡o en el descubrimiento de las leyes de la
dinámica qufmica y de la presión osmótica en disoluciones (p. 97).
Junto a J. A. Le Bel (aunque independientemenle). fue pre<:ursor de las
wses fundamentales de la forma tnd1mens10nal de las moléculas quimicas orgánicas. hoy conocidas como estereoisomerla (p.223). Esta
teoría estable<:e que los Momos de carbono se localizan espaoalmente en la dire<:ción de los vértices de un tetraedro regular. Si en los vertkes se unen átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula
puede ex,stir de dos formas distintas. Estas conclusiones han permití·
do a muchos cientfficos conocer et me<:anismo de acción de fármacos
y otros procesos vitales. entre otros.
•
Svante August Arrhenius (1859·1927)
Qurm,co sueco, recibe el premio Nobel por su contribución al
desarrollo de la quim,ca en el campo de la disociación electro•
lítica. Su teorla demuestra que en una disociación electrolítica
se produce la disociac,ón de los componentes químicos en sus
correspo,1dientes iones.
Esta teorfa ha contribuido a estudiar temas tales como:
ácido•base (p. 152), propiedades coligativas (p. 96). electró·
hsis (p. 179), electo de la temperatura en la velocidad de
reacción (p. 140), entre otros.
Ernest Rutherford {1871 -1937)
Físico británico. recibe el premio Nobel por sus experimentos en la
desintegracoón de los elementos y ia química de los matenales radiactivos. En 1895. aisló exitosamente el helio. también descubrió gases
nobles como el argón. el neón, el criptón y el xenón (p. ~3). Rutherford
fue uno de los científicos más importantes e,1 el área de la lis,ca
nuclear. descubrió las emisiones que componían la radiación y las llamó
rayos alfa, beta y gamma (p. 185). Sus descubrimientos le permitieron
enuncoar una nueva teoría sobre la estructura atómica de la materia, en
la cual plantea que el átomo está formado por un núcleo y a su alrededor giran los electrones (p. 25).
Marie Sklodowska-Curie (1867-1934)
Física polaca. Recibe el nobel de química por el descubrimiento de los
elementos radio y polonio y por sus investig¡,ciones sobre su naturaleza
y comportamiento. Antenormente, en 1903, obtuvo, junto a Bequerel,
el Nobel de física por investigaciones sobre los fenómenos de radiación
(p. 184). Fue la primera mujer en obtener dos prem10s Nobel.
Marie ¡unto a su esposo comenzaron a estudiar las radiaciones del uranio emitidas por el mineral pechblenda. Al observar que estas radiaciones eran más intensas que las del uranio, dedujo que debía haber elementos desconocidos, incluso más radiactivos que el uranio.
Fritz Haber (1868-1934)
Químico alemán. recibe el premio Nobel por la síntesis del amoniaco a
partir de sus elementos. Este descubrimiento, conocido como proceso de
Haber (p. 304), se utiliza en ia fabncación de explosrvos y en la producción de fertilizantes (p. 302). Fue un gran hito indust11al. ya que se dejaba de depender del nitrato de sodio natural entregado por Chile, ,emplazándolo por olro de fabncación s1ntél1ca (p. 312).
s, bien Haber fue galardonaclo con el Nobel en 1918, no lo recibió hasta
1920, por la gran polémica que se produjo debido a su cuestionacia participación en la Primera Guerra Mundial. También por ser el responsable
del desarrollo ele las pnmeras armas de destrucción masiva, al usar gas
mostaza en el campo de batalla.
En la ,nvestigación de la combustión y en la electroquímica hizo importantes aportes.
Otto Hahn (1879-1968)
Químico y físico alemán. recibe el premio Nobel por el descubrimiento
de la fisión nuclear de los átomos. Sus aportes más importantes pertenecen al área de la radiactividad, en particular al descubrimiento de la
fisión del uranio por el bombardeo de neutrones, en elementos más ligeros. Este descubrimiento permitió anos más tarde la fabricación de armas
nucleares, lo que OC<lSiOfló problemas ambientales por los desechos producidos en la reacción. Sin embargo, también se ha utilizado para la producción de energía a través de la construcción de los reactores y centrales nucleares. Existen también reactores de fisión dedicados a la investigación (p. 196).
Archer J. P. Martín (1910· 2002) y
Richard L. M. Synge (1914-1994)
~- 1 ,,,,.~
~ 4" .
... _. . .
Martín, bioquímico inglés, y Synge, bioqulm,co británico. reciben el
premio Nobel por la creación de la técnica de cromatografía de reparto sobre papel (p. , 1).
Está técnica de separación ha sido de gran importancia en el análisis
de productos naturales y para detectar la presencia de drogas en la
orina. en la sangre y en otros fluidos. Esta técn1C<1 es aplicada en medicina, en medicina forense, investigación de nuevos fármacos, en trata•
mientos de rehabilitación para deportistas, entre otros.
linus Car! Pauling (1901-1994)
Químico y físico estadounidense, recibe el p<emio Nobel por sus investigaciones sobre la naturaleza del enlace químico y su empleo como
esclarecedor de la estructura de sustancias comple¡as. A través del
es1udio con rayos X y la difracción del electrón, pudo calcular las distancias interatómicas y los ~ngulos de enlace (p. 40).
Adem~s de este importante aporte, Linus Pauhng des,acó POf su
gestión ante el desarme nuclear de
las grandes potencias, por lo que
recibió el premio Nobel de la paz
en 1962 y el premio Len in par a la
paz en 1972.
f.
:-
-
.- ::
.
Richard Ernst (1933-)
Químico suizo, rec,be el premio
Nobel por su contribución al desarrollo de la espectroscopia de resonancia magr.éllCa nuclear de alla resolución, método de gran importancia
para el anal1S&S de eslructuras moleculares.
1
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Paul J. Crutzen (1933•), Mario J. Molina (1943•) y
F. Sherwood Rowland (1927-)
Crutzen, qulmico holandés; Molina, qu1mico mexicano. y Rowtand.
químico estadounidense. reciben el premio Nobel por sus trabajos
sobre la química atmosfénca, especialmente sobre la formación y descomposición del ozono (p. 10 1).
FI
Robert Curl (1933·),
Sir Harold Kroto (1939-) y
Richard Smalley
(1943-2005)
Curt, químico estadounidense; Kroto. qufmico
inglés, y Smalley, qulmico estadounidense, reciben el premio Nobel
por el descubrimiento de
los íullerenos como tercera forma estable del carbono con su molécula en forma
cristalina.
Atan J. Heeger (1936-), Atan G. MacDiannid (1927-2007) y
Hideki Shirakawa (1936·)
Heeger, químico estadounidense; MacDiarmid, químico zelandes. y
Shirakawa. químico japonés, reciben el premio Nobel por el descubrimienlo y desarrollo de polímeros conductores (p. 301).
Roger D. Kronberg (1947•)
Químico estadounidense, recibe el premio Nobel por sus estudios de la
base molecular de transcripción genética.
1 11
Materiales de laboratorio
Matraz de aforo.
Se utiliza para preparar diwluciones
Vaso de precipitado.
Se u1iliza para mezcla, y calenrar
sustancias y mezdas.
Tubos de ensayo.
Sir,en pa,a mezdar y calentar
pequenas cantidades de sustancia$.
de concentración exacta.
Matraz de Erlenmeyer.
Se usa para p,eparar disohKiones
liquidas.
Termómetro.
Si,ve para medir la 1empera1ura de
las sustancias en 9,ados Celsius.
Probeta.
Se uliliza paia medí, volúmenes de
líquidos.
Se emplea para medir pequeiios
•1olúmenes de líquidos.
Se usa pa-a medi, volúmenes de
óisotvciones de roncentración
conocida.
Refrigerante.
Balanza.
Se utilizan paia condensar los
Sirve pa,a medí, la masa de las
vapores p1oducidos en la destdación. sustanoas.
ll
Mechero Bunsen.
Es la fuente de calor para llevar a
cabo las reacciones.
Vidrio reloj .
Se utiliza para pesar o uansfciir
sólidos o cub·i· re<ipientes.
Normas de se uridad en el laboratorio
A continuación se presentan algunas recomendaciones para reducir los
riesgos que se pueden producir en un laboratorio qufmico.
El laboratorio debe .••
■ mantenerse limpio y ordenado
■ tener buena ventilación evitando la acumulación de gases tóxicos
■ tener un bot,qufn con elementos básicos como an11sépt,cos y vendas.
■ contar con señales de \llas de escape, exton 10( y ,eactivos peligrosos.
Los reactivos ...
■ deben tener fótulos que indiquen su peligrosidad y la fecha en que
fueron guardados.
■ no se deben oler. probar ni mezclar por ningún motivo.
■ al usar ácidos y bases con agua. siempre se debe verter el ac,do o la
base sobre el agua, nunca al revés.
Durante el trabajo las personas deben...
■ leer las ins1rucciones para conocer las experiencoas a realizar, tos
pasos que se deben seguir y los matenales a ul!lizar.
■ llevar el pelo atado y ningún tipo de ropa colgando, como bufandas.
■ usar siempre delantal.
■ no se debe comer. beber, 1urnar o CC)(rer dentro del laboratorio.
Cuidado con el cuerpo ...
■ en caso de quemaduras se debe avisar inmediatamente al profesor.
Si es con ácidos concentrados, nunca se debe lavar la zona con
agua.
■ para tomar sustancias químicas se usa la esp~tula, nunca las manos.
■ no se deben oler directamente las sustancias químicas. para ello se
acerca el aroma usando la mano.
■ para pipetear líquidos se deben usar dispensadores. nunca la boca.
Reactivos. Al Analizar el
1raba;o con los reactivos..
estos se eliminan en el
lavato·io. rnantenietido la
1il\'<! ab ena para que corra
sufltente agua. No se vadan
e,i el desagüe sus1ancias
sólidas ni solvenles orgánicos.
Precaución con el material de vidrio ...
■ antes de usarlos se debe verificar que estén en perfecto estado.
■ para calentar sustancias, se debe verificar que el material de vidno
sea resistente al calor. por ejemplo, los materiales pyrex.
■ al calentar un tubo de ensayo. se debe obse~;ar que el extremo
abierto no apunte hacia una persona. ya que la sustancia se puede
calentar rápidamente y salir del tubo provocando una quemadura.
rm
Índice alfabético de contenidos
D
Addo, 152. 156,227,246
Dataoón, 193
Agente reductor y oxidante, 169
Densidad, 18, 86
• de carga, 226
Agua. 84
Aire, 98
Dependencia, 285
°'
Anión, 33. 38
Desin1egración y ll. 186
Diagrama de fases. 12, 96, 97
Atomos. 24
Difusión simple )' facilitada. 273
Atmósfera, 98
Disoluciones químicas. 9. 92. 159
Aminooci<!os. 247
- agenles contaminantes de la, 102
Drogas, 268, 270, 286
• absorción intestinal, 275
B
Balance de ecuaciones. 64
Drogadicción. 284
Dureza, 79, 257, 296
Base, 152. 157. 227
E
Bomba atómica, 198
Efecto
e
- estérico, 224
Calor específico. 87
- fotoeléctrrco, 26
Cambios
• mesómero. 227
- de estado, 13
- físico y químico, 58
Carbocatión y carbanión. 225
Carbohidratos. 244
Catión. 33, 38
• pantalla, 38
Electroobtención y electrorrefinación, 307
Electrón, 24
• de valencia, 40
Electrólisis, 179
Central nuclear. 197
Elemento químico. 8
Ci<:lo de Carnot, 125
Eliminación presistémica, 272
Cinética
Enanliómeros. 223
- de dislribución. 276
Endocitosis. 274
• de eliminación, 278
Endotérmico, 117
Compuesto, 8, 32
Energía, 114
Configuración electrónica, 31
• de activación, 59
Concenlración. 304
- u'llerna, 114
- unidades de. 94
• de enlace, 4 1, 118
- de los reactantes, 140
- libre de Gibbs. 128
Corrosión. 178
Enlace
• glucosídico, 245
- longitud de, 41
- polaridad de. 226
- nuclear. 189, 194
Funciones de estado, 113, 114, 117. 126. 128
- peptldico. 249
G
- químico. 40
- tipos de, 44
Entalpía. 117, 120
Entropía, 126
Enzimas, 141. 252
Equilibrio
- químico, 142
Gases nobles. 37. 43
Gasolina. 235
Geometría
- angular. 85
- molecular, 48
Grupos funcionales. 218
- iónico del agua, 158
Escala
H
Hibridación del átomo de carbono. 21 O
- de MOhs, 79
Hidrocarburos. 212
- depH, 160
Hidrólisis, 219
Estabilidad nuclear. 188
Estereoisomeria. 223
Estequiometría. 66
Estructura cristalina, 78
Excreción, 278
Exotérmico. 117
Ion. 33
- carbonio 225
Indicador ácido-base. 161
Indice de cetano y octano. 235
Industria
- del cobre. 306
Factor
• del petróleo, 308
- cinético, 305
- de minerales metálicos, 31O
- estequiométoco. 304
- del minerales no metálicos. 312
- termodinámico. 30
- de Slntesis. 3 t 4
Fármacos. 268
- de construcción, 314
- agonistas y antagonistas. 28 1
Isómeros. 222
- metabolismo de. 277
Isotérmico, t 13
Farmacoc,nética, 272
Farmacodinamia, 280
lsólopos, 28, 184
- radiactivos, 185
Farmacodependenoa, 284
Fisión y fisión nuclear. 195
Fórmulas químicas, 34
Fuerza
- intermoleculares. 47
L
Ley
• de acción de masas. 143
- de Dalton o proporciones múltiples. 61
Nomenda1ura
• de F1ck, 273
• de los gases. 104
- inorgánica, 50
- de Hess, 122
• orgánica, 21 4
- de Lavo1sier o conse,vación de la masa. 60
No metal. 37, 80
- de Proust o proporciones definidas, 61
Notación científica. 1S
• de velocidad. 135
Núcleo atómico, 25. 186
Lípidos, 246
Número
• atómico, 28
M
• cuántico, 30
Máquina térmica, 124
- de Avogadro, 62
Masa. 16
• de oxidación, 170. 230
- atómica, 29
- másico, 28
- crítica. 195
o
• molecular, 62
Orbital, 27
Materia, 8
- atómico y molecular, 210
- prima, 294
Orden de la reacción. 136
Materiales. 294
Osmosis, 97
Mecanismos
• de reacción. 138. 224
p
• de transporte, 273
Petróleo, 232. 308
- de neuroadaptación, 285
pH, 160
Medicamento. 268
- regulación del. 162
Menas, 81
Pilas, 176
Metabolismo de fármacos. 277
Polimerización, 235
Metal, 37. 80. 298
Polímeros. 244
Metalurgia. 306
- conductores, 301
Método ion-electrón, 172
Pol,sacándos. 245
Mezclas, 9
Potenc,al de la celda. 175
Mineral, 78. 310. 312
Presión, 304
Mol, 62
- atmosférica. 98
Moléculas, 32
- osm61,ca. 97
Principio
N
Neu1rón. 25
Neu1ralizacion. 1ss
- de incertidumbre. 27
- de Le Chatel,er, 146
Procesos reversibles e irreversibles, 58
Producto, 58
Resistencia. 257, 296
Propie<iades
Ruptura de enlace. 225
- cohgat,vas, 96
s
- penódicas. 38
Sedimentación, 90, 91
Proteínas. 247, 249
Puentes de hidrógeno, 85
Serie reactiva. t 72, 190
Síndrome de abstinencia, 285
Q
Química, 8
T
Tabla periódica, 36
- nuclear, 184
Técnicas de separación de mezclas, 10
- orgánica. 208
Temperatura. 19, 140. 253. 304
Tensión superficial, 86
R
Radiación, 185
• de fondo, 200
Teorla(sl
- ácido-base, 153
• atómicas. 24
Radiactividad inducida. 194
- cinét1Co molecular. 12, 104, 105, 106
Reawon~
• de las colisiones, 59, t 34
• de isomerización, 229
Terapia génica, 288
- de fase I y 11, 277
Termodinámica, 11 2
• de oxidación y reducción, 168, 230
Titulación, 163
- elementales, 136
Tolerancia, 184
• espontánea, 126
Transporte activo, 275
• en cadena, t 95
Trazadores. 203
• nuclear, 184
V
• química, 58
• químicas orgánicas, tipos de, 228
Volumen, 17
- químicas. hpos de, 70
• de distribución, 276
• reversoble e irreversibles. 142
- molar, 63, 107
• unimotecular~ y bimoleculares, 138, 224
ReactanIe. 58
• limitante y excedente, 68
Reactores. 196
Velocidad
- de desintegración radiactiva, 192
• de reacción, 134
Vida media. 191
Receptor~ farmacológ,cos, 28 t
y
Red cristalina, 44
Rendimiento, 69. 124, 145
Yacimientos, 81
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■ Hitos en la historia de la química!
• Científicos destacados con premios Nobel.
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