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UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 1

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Universidad de ConcepciónFacultad de Ciencias Químicas

Química General para Ingeniería

Unidad 1

Tema: Herramientas de la química

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Unidad 1: HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DE LA QUIMICA • Algunas definiciones fundamentales

• El método científico

• Mediciones en el estudio científico

• Incertidumbre en las mediciones y cifras signi- ficativas

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Algunas definiciones fundamentales

• Materia: cualquier cosa que tenga masa y volumen (todo lo que está en el universo)

La materia se presenta en tres formas físicas llamadas estados de la materia:

gaslíquidosólido

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partículas muy separadas, desordenadas Gas en movimiento caótico llenan todo el espacio (sin forma propia)

partículas juntas, con algún ordenLíquido se mueven poco

se adapta al recipiente pero forma superficie

partículas muy juntas, orden perfectoSólido no se mueven

tienen forma propia.

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• La materia tiene propiedades. • Propiedades: son las características que dan

a cada sustancia su identidad única.

• Se distinguen dos tipos de propiedades:–físicas–químicas

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• Propiedades físicas: son las que la sustan- cia tiene por sí misma.– Ej: densidad, color, volumen,

conductividad térmica,

punto de fusión, …

• Propiedades químicas: son las que presen- ta una sustancia a medida que cambia o que interactúa con otra sustancia.– Ej: corrosividad, inflamabilidad,

reactividad frente a ácido, …

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Las propiedades pueden ser:

• Extensivas: dependen de la cantidad de

materia.

Ej: masa, volumen, energía

• Intensivas: no dependen de la cantidad de materia.

Ej: densidad, temperatura

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La materia experimenta cambios de estado.

Los cambios de estado pueden ser:

- cambios físicos

- cambios químicos

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• Cambio físico: alteración de la forma física de una sustancia, (no cambia su composi- ción, conserva su identidad)

• Cambio químico: ocurre cuando una o más sustancias se convierten en otra u otras sustancias, hay cambio de identidad.

El cambio químico se denomina reacción química.

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Determine si el cambio de estado que se describe corresponde a cambio físico o a cambio químico:

En una noche húmeda de invierno se forma escarcha a medida que la temperatura baja.

Físico

Crece una planta una siembra que se riega y fertiliza.Químico

Un artesano talla una silla a partir de un madero.Físico

Se prepara un huevo duroQuímico

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¿Y éstos?

• Un tenedor se deslustra (empaña) en el aire.

• Cuando se calienta yodo sólido se desprenden vapores de yodo de color púrpura.

• Una chispa enciende vapores de gasolina en un cilindro de un automóvil.

• Se forma una costra en una herida.

• Se come una manzana.

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Clasificación de la materia:

Sustancias Puras Mezclas

Materia

Elementos Compuestos HeterogéneasHomogéneas

HidrógenoOxígenoSodioCobreKriptón

AguaCloruro de plataÓxido de hierroetanol

Sal en aguaAireAcero

ArenaSal y azúcar

se llaman

SOLUCIONES

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Sustancia pura: materia cuya composición

es fija (única).

Puede ser un elemento.

Puede ser un compuesto.

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Elemento: Es el tipo de materia más simple con

propiedades físicas y químicas únicas.

Existen: 89 elementos naturales

20 elementos sintéticos

Se clasifican en :

Metales (78 %) No metales (10 %)

Semimetales (7 %) Gases nobles (5 %)

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Compuesto:

Materia constituida por dos o más elementos (diferentes) unidos químicamente en proporciones fijas de masa.

para amoníaco:

para dióxido de carbono:

632,4hidrógeno masa

nitrógeno masa

664,2carbono masa

oxígeno masa

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Mezcla: dos o más sustancias (elementos y/o

compuestos) que están físicamente

mezclados. Los componentes de una

mezcla pueden variar su proporción

en masa, esto es, la composición de

una mezcla es variable.

Los componentes de una mezcla pueden ser separados por métodos químicos o por métodos físicos.

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• Mezcla homogénea: composición idéntica en cualquier punto de ella. No es posible distinguir los componentes entre sí. Se denomina solución.

• Mezcla heterogénea: composición puede variar de un punto a otro de la mezcla. Es posible distinguir los componentes.

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Las partículas más pequeñas que forman la materia, para efectos del estudio de la QUÍMICA son:

Átomo

Molécula

Ion

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Los átomos son neutros. Hay tantas clases de átomos como número de elementos existen (109).

Las moléculas son agrupaciones de átomos iguales o diferentes. Las moléculas son neutras.

Los iones son átomos o agrupaciones de átomos que han adquirido carga eléctrica.

Los elementos están formados por una sola clase de átomos, pero éstos en algunos casos están agrupados formando moléculas.

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Unidad 1: HERRAMIENTAS PARA EL ESTUDIO DE LA QUIMICA • Algunas definiciones fundamentales

• El método científico

• Mediciones en el estudio científico

• Incertidumbre en las mediciones y cifras signi- ficativas

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El método científico

Proceso flexibe de pensamiento y pruebas creativas orientadas a descubrimientos objetivos y verificables de cómo funciona la naturaleza.Conduce a la formulación de un MODELO (TEORIA)

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Observaciones

Hipótesis

Experimentación

Modelo (Teoría)

Experim. posteriores

El enfoque científico para comprender la naturaleza consta de las siguientes etapas:

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• Observaciones: sobre hechos que se desean explicar, cuali y cuantitativas => datos.

• Hipótesis: es una propuesta tentativa que se hace para explicar las observaciones. Debe ser comprobable => obliga a hacer experimentos.

• Experimentación: relaciona las ideas con la hipótesis y la naturaleza. Los resultados experimentales ponen a prueba la hipótesis => mantenerla, modificarla, rechazarla.

• Modelo (o Teoría): conjunto de suposiciones concep- tuales que explican los datos experimentales acumu-lados. Permite predecir fenómenos relacionados.

• Experimentos posteriores: prueban predicciones basadas en el modelo.

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• Un modelo no es una representación exacta de la naturaleza; es una versión simplificada.

• Las investigaciones posteriores permiten mejorar el modelo o alterarlo para explicar nuevos hechos.

• Un modelo es válido hasta que experimentos demuestren inconsistencias.

Como resultado de las OBSERVACIONES, los fenómenos naturales, medidos y que son universal- mente consistentes pueden ser propuestos como LEYLEY..

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Mediciones en el estudio científico

• En el estudio experimental de un sistema es necesario realizar mediciones cuantitativas.

• Las mediciones corresponden a propiedades físicas del sistema.

• Un comité internacional se encargó de establecer un sistema métrico revisado y aceptado por los científicos a nivel mundial:

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

SI

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Características generales de la unidades SI

• Consta de 7 unidades básicas, c/u corresponde a una cantidad física.

• Todas las restantes unidades son derivadas, corresponden a combinaciones de las básicas.

• Las unidades básicas del sistema SI son: masa, longitud, tiempo, temperatura,

corriente eléctrica, cantidad de sustancia, intensidad luminosa

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Unidades básicas SICantidad física

(dimensión)

Nombre de la unidad

Símbolo de la unidad

Masa kilógramo kg

Longitud metro m

Tiempo segundo s

Temperatura kelvin K

Corriente eléctrica amper A

Cantidad de sustancia

mol

mol

Intensidad luminosa candela cd

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Ejemplos de unidades derivadas SI:

• Para DENSIDAD:

• La unidad SI para ENERGIA es:

• Para PRESION:

33 m

kg

(longitud)

masa

volumen

masadensidad

J2s

2mkg

2

tiempo

longitudmasalongitud

2(tiempo)

longitudmasa

alturanaceleraciómasaEnergía

(pascal) Pasm

kg

sm

mmkggρPresión

223

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En ciertas ocasiones es necesario manejar equivalencias comunes entre SI y otros sistemas de unidades.

Ejemplos:

Longitud: pulgada (in), pie (ft), yarda (yd), milla (mi)

Volumen: litro (L), galón (gal)

Masa: libra (lb)

Temperatura: grado Celcius (°C), grado Fahrenheit (°F)

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ProblemaLa fibra óptica que se utiliza en comunicaciones de redes computacionales tiene masa 1,19 ×10-3 lb/m. Con un cable de esta fibra óptica que consta de 6 hebras, se desea conectar dos puntos que distan 8,85×103 km entre sí, (distancia aproximada entre Nueva York y París).

¿Cuál es la masa de cable que se necesita?

Exprésela en kg.

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Solución:

m en cable longitudhebrasnhebram

masacable masa

km 1

m10km108,85hebras 6

hebra m

lb101,19 cable masa

33

-3

kg102,866lb 1

kg 0,4536lb106,3189 cable masa 44

lb106,3189lb1063,189cable masa 43

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Relación entre escalas de TEMPERATURA:

KK °C °F°C °F

0 -273,15 ? tarea

273,15 0

373,15 100

32

212100 K 180°F100 °C

Tamaño grado K = tamaño grado °C > tamaño de grado °F

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Conversión entre K, °C y °F:

T(K) = T(°C) + 273,15

T(K) = ? T(°F) Tarea

32 C)T( 5

9 )F(T

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Problema

La temperatura corporal de un niño, medida con un

termómetro en escala Farenheit, es T = 101,7 °F.

a) ¿Tiene fiebre el niño?

b) Si se hubiese utilizado un termómetro en escala Kelvin, ¿qué valor de temperatura se hubiese leído?

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Equivalencias entre algunas unidades comunes:

1 Angstrom = 10-10 m = 0,1 nm

1 pulgada = 2,54 cm

1 L = 10-3m3 = 1dm3

1 galón = 3,785 L

1 libra = 453,6 g

1 atm = 1,01325 x 105 Pa = 760 torr = 760 mmHg = 1,01325 bar

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• Es necesario conocer el orden de magnitud de algunas cantidades.

• Orden de magnitud se refiere a la potencia de 10 del valor de una propiedad, expresada en una determinada unidad.

• Ejemplos:

Si m = 3,6 x 104 kg, su orden de magnitud es 104 kg.

Si P = 0,0000276 Pa, su orden de magnitud es 10-5 Pa.

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1012 m

109 m

106 m

103m

10-3m(mm)

100m

10-6m(m)

10-9m

10-12m(pm)

1024 L1021 L

1015 L

1018 L

1012L

106 L

109 L

103 L

10-3 L

100 L

10-6 L

10-9 L

10-21 L

10-24 L

10-18L

10-15 L

10-12 L

10-27 L

10-30 L

1024 g

1018 g

1012g

1015 g

1021g

109g

106 g

103 g

10-3 g

100 g

10-6g

10-24 g

10-9 g

10-12 g

10-15 g

10-18 g

10-21g

Distancia de la Tierra al Sol

Nivel del mar

Altura del Monte Everest

Diám. del átomono radiact. más grande (Cs)

Diámetro de una partícula de humo

Espesor promediodel cabello humano

Diám. del átomomás pequeño (H)

Océanos y mares del mundo

Capacidad pulmonaren un adulto

Pelota de tenisl

Sangre en un adulto

Célula bacterianatípica

Átomo de carbono

Atmósfera de la Tierraa 2500 Km

Transatlántico

Elefante

Humano

1.0 L. De agua

Grano de sal

Proteína

Átomo de Uranio

Molécula de agua

A B C

MAGNITUDESMAGNITUDES

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Prefijos decimales comunes:

Prefijo

símbolo número Notación exponencial Ejemplo con m

tera

giga

mega

kilo

hecto

deca

-

deci

centi

mili

micro

nano

pico

femto

T

G

M

k

h

da

-

d

c

m

n

p

f

1 000 000 000 000

1 000 000 000

1 000 000

1 000

100

10

1

0,1

0,01

0,001

0,000 001

0,000 000 001

0,000 000 000 001

0,000 000 000 000 001

1012

109

106

103

102

101

100

10-1

10-2

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

1 Tm = 1012

m

1 Gm = 109 m

1 Mm = 106 m

1 mm = 10-3 m

1 m = 10-6 m

1 nm = 10-9 m

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Para expresar valores: muy grandes

muy pequeños

debe utilizarse la notación científica.

Ejemplo:

V = 0,00055 m3 => V = 5,5 x 10-4 m3

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Cifras significativas

• No es posible medir algo exactamente o conocer una cantidad con absoluta certeza.

• Cada medición que se hace incluye cierta incertidumbre.

• La elección del instrumento para una medición depende de cuánta incertidumbre es aceptable en una situación dada.

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Ejemplo: Al comprar manzanas por kilogramo es per-

fectamente aceptable una balanza cuya escala

mida hasta 0,1 kg (mínimo).

Así, una medida en esa balanza puede ser:

2,0 ± 0,1 kg

“ ± 0,1 kg ” expresa la incertidumbre

y esta incertidumbre significa que las manza-

nas pesan entre 1,9 kg y 2,1 kg

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• Las cifras (dígitos) que se obtienen de una medición están determinadas por la incertidumbre del instrumento utilizado.

• Si las mismas manzanas se pesaran en una balanza cuya escala permite leer hasta 0,01kg, el resultado podría ser:

2,03 ± 0,01 kg

lo que indicaría que la medida está entre 2,02 kg y 2,04 kg.

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Definición

Cifras significativas: son todos los dígitos que tienen significado en una cantidad medida o calculada.

Todo valor debe ser escrito sólo con las cifrassignificativas.

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En el ejemplo de las manzanas:

• El valor de la medición hecha en la:

- primera balanza tiene DOS CIFRAS SIGNIFICATIVAS: 2,0 kg

- segunda balanza tiene TRES CIFRAS SIGNIFICATIVAS: 2,03 kg

• Mientras mayor es el número de cifras significativas menor es la incertidumbre de la medida.

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¿Cuáles cifras son significativas?• Todos los dígitos, contados de izquierda a derecha,

desde el primer dígito distinto de cero son cifras significativas.

• Ejemplos:• 45,6789 g 45,6089 g

• 6 cs 6 cs

• 45,67890 g 0,0031 L

• 7 cs 2 cs

• 0,0031 L 0,010203 kg 2 cs

5 cs

• 0,010203 kg 0,01020300 kg

• 5 cs 7 cs

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… más ejemplos…

• 500 g 500 g

500 g 1 cs 500 g 3 cs

• 5,00 x 102 g• 3 cs

• 5,0 x 102 g• 2 cs

• 5 x 102 g • 1 cs

400 500 600 499 500 501 502498

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¿Cómo se establecen las cs ?

• En sumas y restas: el resultado debe tener tantas cs después del punto decimal como el sumando que tiene menor número de cs decimales.

• Ejemplo:756,230 torr 3 cs después de la “coma”+ 15,9 torr 1 cs después de la “coma”721,130 torr debe tener 1cs después de la

“coma”

Por lo tanto es necesario “redondear” el resultado a 721,1 torr

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• En multiplicación y división: el producto o el cociente resultante debe tener tantas cs como el factor que tiene menor número de cs. (Este factor no debe ser una constante).

• Ejemplo:

5,387 m x 0,25 m x 1,06 m = 1,427555 m3

El resultado debe tener 2 cs, ya que 0,25 es el el factor que menos cs tiene, luego debe informarse:

1,4 m3

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El resultado se debe informar con 4 cs, debido a que de todos los números involucrados en la opreación el que tiene menor número de cs tiene 4. Dese cuenta que el número 3 es una constante.

La respuesta correcta es: 28,21 m2

2m 28,2083

m 6,881m 12,30Superficie

Ejemplo:La siguiente expresión corresponde al cálculo de la terceraParte de la superficie de un rectángulo de lados 12,30 m y6,881 m:

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¿Cómo se “redondea”?

1. Se eliminan los dígitos que siguen al dígito que se debe conservar siempre que sean menores que 5; 50; 500; 5000 etc.

• Ej redondear el número 4,3123 a:

2 cs después de la coma: 4,31

3 cs después de la coma: 4,312

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2. Si el dígito que sigue al que debe mantenerse es mayor que 5, entonces se incrementa en una unidad el dígito que lo precede.

Ejemplo: redondear 0,2865 a 2 cs0,29

3. Si el dígito que sigue al que debe mantenerse es igual a 5, entonces el dígito anterior:

se mantiene si es parse incrementa en una unidad si es impar

Ejemplos: redondear 145,85 a 1 cs después de la coma 145,8

redondear 145,35 a 1 cs después de la coma

145,4

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Problema.

La masa de una muestra de metal es 68,000 g y su volumen es 5 cm3. Determine la densidad del metal en g/cm3.

(Debe escribir su resultado con el número de cifras significativas que le permiten los datos).

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Solución.

De acuerdo a los datos dados, la densidad debe escribirse con:

1 cs

La respuesta correcta es:

metal = 1x10 g/cm3

33

metal

metalmetal /cm13,600...g

cm 5

g 68,000

V

mρ

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Si en el problema anterior el volumen del metal hubiese sido 5,0 cm3, ¿cuál sería el valor correcto para la densidad del metal?

Resuelva, compare, obtenga conclusiones.