APUNTES DE QUIMICA

ORLANDO VERGEL PORTILLOIngeniero Químico MSc.

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA2003

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PRIMERA

UNIDAD LA MATERIA

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1.1 – SISTEMAS DE UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN

Existen tres sistemas de unidades reconocidas ampliamente que son: el sistema métrico decimal, el sistema Inglés y el sistema internacional.

El sistema métrico decimal también es conocido como el sistema CGS (centímetro, gramo, segundo). Este sistema es utilizado en todo el mundo excepto Gran Bretaña y los Estados Unidos. El sistema Inglés es el sistema legal en los Estados Unidos y Gran Bretaña. El sistema Internacional se creó con el propósito de unificar las unidades en todo el mundo.

Estos tres sistemas de unidades toman como referencia las tres dimensiones mecánicas de: masa (M), longitud (L) y tiempo (T). Así:

Sistema de Unidades

MasaM

longitudL

TiempoT

Métrico decimal Gramos: g. Centímetro: cm.

Segundo: s

Inglés Libra: lb Pie: pie Segundo: sInternacional Kilogramo: Kg Metro: m Segundo: sTabla 1.1 – Dimensiones mecánicas en los tres sistemas de unidades

A partir de estas tres dimensiones de referencia podemos deducir las unidades de otras propiedades, por ejemplo cuales serán en los tres sistemas de unidades, las unidades de: área, volumen, velocidad, aceleración, densidad, fuerza y presión.

El Area debe tener unidades de longitud al cuadrado, es decir: A = L2.El volumen debe tener unidades de longitud al cubo, es decir: V = L3.La velocidad debe tener unidades de longitud por unidad de tiempo, así: v = L/T ó LT-1

La aceleración tendrá unidades de: L/T2 ó LT-2.La densidad es masa por unidad de volumen, luego sus unidades serán: M/ L3 ó M L-3.La fuerza es masa por aceleración, luego sus unidades serán: M L/T2

ó M LT-2.La presión es la fuerza por unidad de área, luego sus unidades serán: M L/T2 L2 ó M/LT2 o lo que es lo mismo: ML-1T-2.

La siguiente tabla nos ilustra las unidades en los tres sistemas para estas propiedades:

Sistema de Area = L2 Vol. = L3 Veloc. = L/T a = L/T2

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UnidadesMétrico decimal cm2 cm3 cm/s cm/s2

Inglés pie2 pie3 pie/s pie/s2

Internacional m2 m3 m/s m/s2

Sistema de unidades

D = M/ L3 F = M L/T2 P = M/LT2

Métrico decimal gr/ cm3 gr-cm/s2 gr/cm-s2

Inglés Lbm/ pie3 Lbm-pie/s2 Lbm/pie-s2

Internacional Kg/ m3 Kg-m/s2 Kg/m-s2

Tabla 1.2 – Unidades en los tres sistemas de algunas propiedades.

1.1 – FACTORES DE CONVERSIÓN

Los factores de conversión nos sirven para pasar de un sistema de unidades a otro. La siguiente tabla nos muestra algunos factores de conversión.

Ejemplo 1. un tanque para almacenamiento de agua tiene forma esférica de 1 metro de radio. Halle su volumen en: m3, pie3, litros y galones.

V = (4/3) R3 = (4/3) (3.1416) (1 m)3

= 4.1888 m3

Para pasar de m3 a pie3 utilizamos el factor de conversión de la siguiente forma:

V = 4.1888 m3 (35.3147 pie3) / (1 m3) = 147.9258 pie3

De igual forma para pasar de m3a litros y galones.

V = 4.1888 m3 (1000 lts) / (1 m3) = 4188.8 lts

V = 4.1888 m3 (264.172 gal) / (1 m3) = 1106.56 gal.

Por materia se entiende todo lo que posee masa y ocupa un lugar en el espacio. Como podemos ver, el concepto de materia va asociado al concepto de masa y volumen.

La masa es la causante del peso y la inercia de los cuerpos.

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El peso es la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre una determinada cantidad de masa y se calcula por la ecuación de Newton, así:

P = m g

Donde: m es la masa y g es la aceleración de la gravedad.

Cantidad ConversiónLongitud 1 m = 100 cm

= 3.28084 pie = 39.3701 pulg.

Masa 1 Kg = 1000 gr. = 2.20462 Lb

Fuerza 1 N = 1(Kg)(m)/(s)2 = 105 dinas = 0.224809 Lbf

Presión 1 atm = 1012928 gr/cm- s2

= 1012928 dinas/cm2

= 1 atmósfera = 760 mm de Hg = 76 cm de Hg = 14.7 Lbf / pulg2

= 101292.8 N/m2

Volumen 1 m3 = 106 cm3

= 1000 litros = 35.3147 pie3

= 264.172 galones

Densidad 1 grs/cm3 = 103 Kgs/m3

= 103 gr/l = 62.4278 Lbm/pie3

= 8.3454 Lbm/gal

Energía 1 J = 1 (Kg)(m)2/(s)2

= 1 N m2

= 107 dina-cm = 107 erg. = 0.239 cal = 9.86923 cm3-atm = 9.47831 * 10-4 Btu = 0.737562 lbf-pie

Tabla 1.3 - Factores de conversión

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La aceleración de la gravedad varía dependiendo del punto de la tierra en la cual nos encontremos, pero para efectos de cálculo se toma como constante e igual a 980 cm/s2, 9.8 m/s2 o 32.15 pie/s2.

La inercia es la tendencia que posen los cuerpos de mantener el estado de reposo o movimiento en el cual se encuentren; de esta forma a mayor masa mayor inercia.

El volumen depende de la masa y del estado en el cual se encuentre la materia. Para una cantidad de masa constante podemos decir que ocupará un mayor volumen como gas que como líquido y lógicamente un mayor volumen como líquido que como sólido. El agua es la única sustancia que presenta un mayor volumen como sólido que como líquido como consecuencia de los arreglos cristalinos que forma en el estado sólido.

1.3 – CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

Elementos

Pura o sustancial

Compuestos

Materia

Mezclas homogéneas

Impura formando mezclas

Mezclas heterogéneas

La materia se puede encontrar en dos formas; en una forma pura o sustancial (elementos y compuestos) y en forma impura (mezclas).

Las sustancias químicas (elementos y compuestos) forman la parte pura de la materia y las mezclas, ya sean homogéneas o heterogéneas forman la parte impura de la materia.

Elementos químicos: Un elemento químico es una porción de materia pura, de propiedades físicas y químicas constantes, formado por agrupación de átomos de la misma especie. Como podemos concluir de la definición anterior, el constituyente fundamental de un elemento es el átomo, entendiéndose por átomo la mínima parte en la que se puede subdividir un elemento sin que pierda sus

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propiedades físicas y químicas. Un elemento químico se representa por un símbolo químico el cual consta de una o dos letras que por lo general son la primera o las dos primera letras de su nombre en español ó latín, por ejemplo: el hidrógeno es un elemento que se representa por el símbolo H y el cobre es otro elemento que se representa por el símbolo Cu ya que su nombre en latín Cuprus. Los elementos químicos y algunas de sus propiedades las podemos encontrar en la tabla periódica.

Compuestos químicos: Un compuesto químico es una porción de materia pura, de propiedades físicas y químicas constantes, formada por agrupación de moléculas iguales. Una molécula se forma por la agrupación de dos o mas átomos, iguales o diferentes. Cuando la molécula se forma de átomos iguales, como en el caso del oxígeno, O2, se dice que la molécula es homonuclear y cuando la molécula se forma de átomos diferentes, como en el caso del agua, H2O, se dice que la molécula es heteronuclear.

Todo compuesto se representa mediante una fórmula química. Una fórmula química nos muestra la relación en átomos gramo, expresada en números enteros, como subíndices de los símbolos de los elementos que forman un compuesto. Existen tres tipos de fórmulas a saber: fórmula mínima o empírica, fórmula molecular y fórmula estructural. La fórmula mínima nos muestra la mínima relación en átomos gramo, la fórmula molecular nos muestra la relación real y la fórmula estructural nos muestra los enlaces que forman la molécula. Por ejemplo para el propileno tendremos:

Fórmula mínima: CH2 Fórmula molecular: C3H6 H H H

Fórmula estructural H – C = C – C - H H

Mezclas: La parte impura de la materia se encuentra formando mezclas que pueden ser homogéneas o heterogéneas dependiendo del número de fases que formen. Una mezcla homogénea es aquella que se encuentra formando una sola fase y heterogénea cuando se encuentra formando dos o mas fases. Como fase se entiende, la parte de un sistema físicamente diferente a las demás y mecánicamente separable.

Cuando mezclamos agua y aceite podemos observar la formación de dos fases como consecuencia de que estas sustancias son inmiscibles, una fase liviana que es el aceite y una fase pesada que

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es el agua, luego como la mezcla se encuentra formando dos fases líquidas la mezcla es heterogénea.

Cuando mezclamos etanol y agua podemos observar que se forma una sola fase como consecuencia que el etanol es totalmente miscible en agua, luego la mezcla es homogénea.

1.4 – PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS.

Como propiedades de las sustancias se entienden una serie de características, físicas o químicas, que presentan las sustancias y que las identifica. Las propiedades de las sustancias se clasifican en tres grandes grupos que son:

1. Propiedades organolépticas2. Propiedades físicas y químicas3. Propiedades intensivas y extensivas.

Las propiedades organolépticas son aquellas que son detectadas por los órganos de los sentidos como: el olor, el color y el sabor.

Una propiedad física es aquella cuya medición u observación no implica cambios en la estructura de la materia, por ejemplo: el peso, el volumen, la densidad, el índice de refracción, la viscosidad, la tensión superficial, la temperatura de fusión y la temperatura de ebullición.

Una propiedad química es aquella cuya medición u observación implica cambios en la estructura de la materia, como por ejemplo: el calor de combustión, la velocidad de reacción, la cantidad de productos formados en una reacción química.

Propiedad extensiva es aquella cuyo valor numérico depende de la cantidad de masa que se tenga, por ejemplo: el peso, el volumen, el calor de combustión y la cantidad de productos formados en una reacción química.

Propiedad intensiva es aquella cuyo valor numérico no depende de la cantidad de masa que se tenga. Por ejemplo: la densidad, el índice de refracción, la viscosidad, la tensión superficial, la temperatura de ebullición y la temperatura de fusión. Como regla general cuando se relacionan dos propiedades extensivas se logra una propiedad intensiva.

MASA

La masa es una medida de la cantidad de materia y sus unidades son: en el sistema métrico decimal el gramo-masa (grm), en el sistema inglés la Libra.masa (Lbm) y en el sistema Internacional el

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kilogramo-masa (Kgm). Los factores de conversión para estas tres unidades son:

1 Kgm = 1000 grm1 Lbm = 453.56 grm

PESO

El peso es la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre una determinada cantidad de masa. Para un gramo masa tendremos un peso de:

P = (1 gr) ( 980 cm/s2) = 980 gr-cm/s2 = 980 dinasYa que: 1 dina = 1 grm-cm/s2

y para un Kilogramo masa tendremos un peso de:

P = (1 Kgm)( 9.8 m/s2) = 9.8 kgm-cm/s2

= 9.8 NewtonYa que 1 Newton = 1 Kgm-cm/s2

Otras unidades de peso son:

El gramo fuerza, (grf) es el peso ejercido por un gramo masa y son numéricamente iguales; es decir que un grm tendrá un peso de 1grf. Para que esto pueda ser se necesita utilizar un factor de proporcionalidad gc = 980 grm.cm/grf.s2, así:

P = m g/gc

1 grf = (1 grm)(980 cm/s2)/gc

El kilogramo fuerza (Kgf) es el peso ejercido por un Kgm y son numéricamente iguales; es decir que un Kgm ejercerá un peso de un Kgf. Para que esto pueda ser se necesita de un factor de proporcionalidad gc = 9.8 kgm-cm/Kgf-s2 así:

1 Kgf = (1 Kgm)(9. 8 kgm-cm/s2)/gc

La Libra fuerza (Lbf) es el peso ejercido por una Lbm y son numéricamente iguales; es decir que una Lbm ejercerá un peso de una Lbf. Para que esto pueda ser se necesita utilizar un factor de conversión gc = 32.15 Lbm-pie/ Lbf-s2 así:

1 Lbf = (1 Lbm)(32.15 pie/s2)/gc

Los factores de conversión son:

1 N = 105 dina

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= 0.2248 Lbf

VOLUMEN

El volumen es una propiedad física extensiva que depende de la cantidad de masa y del estado de esta. Las unidades de volumen se obtienen de elevar al cubo una unidad de longitud. Para los tres sistemas de unidades tendremos:

Sistema métrico: cm3

Sistema Inglés: pie3

Sistema internacional: m3

Los factores de conversión son:

1 m3 = 106 cm3

= 1000 litros = 35.3147 pie3

= 264.172 galones

Como: 1 litro = 1000 mlts, entonces; 1 cm3 = 1 mlt

DENSIDAD

La densidad es una propiedad física intensiva que se obtiene por la relación de dos propiedades extensivas, como lo son la masa y el volumen, así:

D = m / VDonde m es la masa y V es el volumen.

La densidad puede expresarse en unidades de: grs/cm3 (sistema Métrico), Lbs/pie3 (sistema inglés) y Kgs/m3 (sistema Internacional) y los factores de conversión son:

1 grs/cm3 = 103 Kgs/m3

= 103 gr/l = 62.4278 Lbm/pie3

= 8.3454 Lbm/gal

La densidad es una función inversa de la temperatura ya que al incrementarse esta aumenta el volumen, disminuyendo la densidad de la sustancia. Los sólidos presentan las mayores densidades mientras que los gases presentan las mínimas densidades.

Para la determinación experimental de la densidad de una sustancia es necesario obtener su peso y medir su volumen. Si la sustancia es un sólido de forma regular, podemos hallar su volumen utilizando fórmulas geométricas y cuando el sólido sea irregular aplicamos el principio de Arquímedes, midiendo el volumen de agua desplazada.

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Para medir el volumen de líquidos se utilizan los picnómetros, que son recipientes de vidrio de volumen conocido.

Ejemplo 2. Cual es la densidad de una bola de acero que tiene un diámetro de 0.75 cm y pesa 1.765 grs.

V = (4/3) r3

= 0.2208 cm3

D = 1.756 gr /0.2208 cm3

= 7.99 gr/cm3

Ejemplo 3. Cual es la densidad de una muestra de bronce que pesa 10.2573 grs y que desaloja 1.2211 cm3.

D = 10.2573 gr / 1.2211 cm3

= 8.4 gr/cm3

Ejemplo 4. Un recipiente de vidrio pesa 10.2073 gramos estando seco limpio y vacío, 10.3190 grs cuando se llena de agua a 4 oC y 10.3221 grs cuando se llena con una solución desconocida. Cual es la densidad de la solución.Peso de la solución = 10.3221 – 10.2073 = 0.1148 grs.

Para calcular el volumen del recipiente utilizamos la densidad del agua a 4 oC que tiene un valor de 1.00 gr/cm3 o 62.4278 Lbm/pie3, así:

Peso del agua en el recipiente = 10.3190 – 10.2073 = 0.1117 grs

Volumen del recipiente = Peso del agua / densidad del agua = 0.1117 grs / 1.00 gr/cm3 = 0.1117 cm3

Densidad de la solución = 0.1148 gr / 0.1117 cm3 = 1.027 gr/cm3

Otras dos propiedades relacionadas con la densidad son: El volumen específico (v) y el peso específico (p.e.). El volumen específico es el inverso de la densidad, es decir el volumen por unidad de masa.

v = V / mv = 1 / D

El peso específico es la relación entre la densidad de la sustancia y la densidad del agua a 4 oC

p.e. = Ds / Dagua a 4 grados C.

Ejemplo 5. Una sustancia tiene una densidad de 140 Lbm/pie3

calcule su volumen específico y su peso específico.

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Volumen específico = 1/D = 1/ ( 140 Lbm/pie3) = 0.0071429 pie3/LbmPeso específico = 140 Lbm/pie3 / 62.4278 Lbm/pie3

= 2.2426

Ejemplo 6. Si el peso específico de una sustancia es 7 cual es su densidad en gr/cm3 y su volumen específico en pie3/Lbm.

Ds = (p.e.) (Dagua a 4 grados C.)

= 7 (1.00 gr/cm3 ) = 7 gr/cm3

= ( 7 gr/cm3 )(62.4278 Lbm/pie3)/(1.00 gr/cm3)

=436.99 Lbm/pie3

Volumen específico = 1 / 7 gr/cm3 = 0.143 cm3 / grs = 1 / 436.99 Lbm/pie3

= 0.002288 pie3/Lbm

PUNTOS DE FUSION, EBULLICIÓN Y SUBLIMACION

Los tres estados fundamentales de la materia son tres: el sólido, líquido y gaseoso. El cambio de fase sólida a líquida se conoce como fusión y la temperatura a la cual ocurre se denomina punto de fusión.

Solidificación Sublimación o congelamiento

Licuefacción

Fusión Sublimación Invertida

Ebullición

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SOLIDO

LIQUIDO GAS

SOLIDO

LIQUIDO GAS

Las sustancias puras funden a una temperatura constante mientras que las sustancias impuras lo hacen en un rango de temperaturas. Cuando el punto de fusión es a 1 atmósfera de presión se denomina punto de fusión normal.

El punto de ebullición o temperatura de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido se hace igual a la presión atmosférica y el líquido pasa al estado gaseoso. En un líquido puro, la temperatura se mantiene constante durante el proceso de ebullición mientras que el aumento progresivo de la temperatura durante la ebullición es prueba de que la sustancia es impura. Se denomina punto de ebullición normal cuando la presión es 1 atmósfera.

El punto de sublimación es la temperatura a la cual un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido.

1.5 – MEDIDA DE TEMPERATURAS

La temperatura es una propiedad de la materia que determina el flujo de calor. Para que exista flujo de calor entre dos cuerpos es necesario que se presente una diferencia de temperatura entre ellos. El equilibrio térmico entre dos cuerpos se presenta cuando las temperaturas se igualan y cesa el flujo de calor entre ellos.

Las dos escalas de temperatura mas comunes son las escalas: Celsius y Fahrenheit.

La escala Celsius (oC) le asigna a la temperatura normal de fusión del agua un valor de 0 oC y a la temperatura normal de ebullición del agua un valor de 100 oC.

La escala Fahrenheit (oF) le asigna a la temperatura normal de fusión del agua un valor de 32 oF y a la temperatura normal de ebullición del agua un valor de 212 oF.

Escala Escala Celsius Fahrenheit 100 oC Temp. Normal de ebullición 212 oF del agua

100 oC 180 oF

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0 oC Temp. Normal de fusión 32 oF del aguaFigura 1.1 – Escalas de temperatura.

Mientras la diferencia entre la temperatura normal de ebullición y la normal de fusión del agua es de 100 grados en la escala Celsius, en la escala Farhrenheit es de 180 grados, lo cual nos sirve para formular la siguiente relación entre las dos escalas:

( oF / oC ) = 180/100 = 1.8

oF = 1.8 oC

Esta relación sería cierta si las dos escalas partieran de cero, pero como la escala Fahrenheit parte de 32 debemos sumar esta diferencia a la relación anterior, así:

oF = 1.8 oC + 32

Escalas Absolutas: Kelvin y Rankine: Los gases ideales en los procesos a volumen constante, presentan un incremento o descenso uniforme de presión con el incremento o descenso de la temperatura respectivamente. Al graficar Temperatura en oC Versus la presión podemos observar que las rectas predicen una presión de cero cuando la temperatura sea de – 273.15 oC, es decir que a esta temperatura las moléculas dejarían de moverse y se obtendría un estado cristalino perfecto, por lo cual esta temperatura se denomina el cero absoluto, que en la escala Fahrenheit tiene un valor de – 459.7 oF. Por esta razón las escalas absolutas son también llamadas escalas de gas ideal. De esta forma los grados Kelvin se obtienen sumándole 273 a los grados Celsius así:

oK = oC + 273

Y los grados Rankine se obtienen sumándole 460 a los grados Fahrenheit así:

oR = oF + 460

Ejemplo 7. Convertir 420 oR en oC.

oF = oR - 460 = 420 - 460 = - 40

oC = ( oF - 32 )/ 1.8 = - 40

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Ejemplo 8. Convertir 25 oC en oR

oF = 1.8 oC + 32 = 1.8 ( 25 ) + 32 = 77

oR = oF + 460 = 77 + 460 = 537

1.6 – PRESION

La presión es la medida de la fuerza por unidad de área: P = F / A. La presión Atmosférica es la presión que ejerce la columna de aire que soportamos sobre nuestras cabezas, de 1 cm2 de área. La presión atmosférica normal es la presión atmosférica a nivel del mar y fue medida por Torricelli con la ayuda de un barómetro. El barómetro es un tubo de 85cm de largo y sellado en un extremo el cual se llena con mercurio y se invierte en un recipiente abierto a la atmósfera que contiene mercurio.

h: Altura de la columna de Hg.

Hg.

El mercurio desciende y marca determinada altura. La presión atmosférica será la que está en equilibrio con la presión de la columna de mercurio. A nivel del mar la altura de la columna de mercurio mide 76 cm de Hg.

La presión de una columna de fluido se calcula de la siguiente forma:

P = F/A

La fuerza que ejerce una columna de un líquido ó un gas es su propio peso y viene dada por el producto entre la masa y la gravedad.

F = m g

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La masa de un líquido viene dada por el producto entre la densidad y el volumen. El volumen de la columna lo hallamos multiplicando el área por la altura.

m = D V V = A h

De esta forma: m = D A h F = D A h g P = D A h g / A P = D h gDonde:

P es la presión de la columna, h es la altura de la columna y g es la aceleración de la gravedad.

De esta forma la presión atmosférica normal medida por Torricelli, tiene un valor de:

Pat. Normal = (13.6 gr/cm3)(76 cm)( 980 cm/s2) = 1012928 gr/cm- s2

= 1012928 dinas/cm2

= 1 atmósfera = 760 mm de Hg = 76 cm de Hg = 14.7 Lbf / pulg2

= 101292.8 N/m2

Ejemplo 9. Calcule la presión ejercida por una columna de agua de agua de densidad 1 gr/cm3 y de 1.5 metros de altura.

P = (1 gr/cm3)(150 cm)(980 cm/s2) = 147000 gr/cm- s2

= 147000 dinas/cm2

Utilizando los factores de conversión tenemos:

P = (147000 dinas/cm2)(1 atm) / (1012928 dinas/cm2) = 0.145 atm = (0.145 atm)(760 mm. Hg) / (1 atm) = 110.2 mm. de Hg.

Para medir la presión de los gases se utilizan los manómetros. Entre los manómetros mas usados están el manómetro de rama abierta a la atmósfera y el manómetro de Bourdon.

El manómetro de rama abierta a la atmósfera consiste en un tubo de vidrio en forma de U que contiene en su interior un líquido, generalmente mercurio o agua. Una de las ramas se conecta al gas

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cuya presión se quiere medir y la otra rama queda abierta a la atmósfera.

Presión atmosférica

Presión del gas

Hg

Dependiendo de la presión del gas con respecto a la presión atmosférica, el líquido manométrico se desplazará hacia la derecha o hacia la izquierda así:

1. Cuando la presión del gas es mayor que la presión atmosférica

Presión atmosférica

Presión del gas

+ h

Hg

La presión del gas Pg = Patmosférica. + presión manométrica Pg = Pat. + DHg h g

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2. Cuando la presión del gas es menor que la presión atmosférica

Presión atmosférica

Presión del gas

-h

Hg

La presión del gas es igual a la presión atmosférica menos la presión que marca el manómetro, es decir:

Pg = Patm. - DHg h g

3. Cuando la presión del gas es igual a la presión atmosférica, el líquido manométrico no sufre ningún desplazamiento.

1.7 – METODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS

Con el propósito de escoger el método de separación mas eficiente es necesario tener en cuenta los factores siguientes:

1. Las propiedades de cada componente.2. El estado general de la mezcla y el estado de cada componente

en particular.

Los métodos de separación de mezclas pueden ser mecánicos y físicos. Para separar las fases en una mezcla heterogénea se utilizan los métodos mecánicos y para separar los componentes de una fase se utilizan los métodos físicos.

METODOS MECANICOS

Entre los métodos de separación llamados mecánicos se encuentran: la Decantación, la filtración y el tamizado.

La decantación consiste en dejar reposar el sólido y verter el líquido. Esta técnica es la mas sencilla pero la separación no es muy completa.

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La filtración consiste en hacer pasar la mezcla a través de un medio filtrante, como el papel de filtro, el cual retiene el sólido dejando pasar el líquido junto con las sustancias solubles en él. Este proceso se puede efectuar a la atmósfera, al vacío y por prensado.

El tamizado es una técnica empleada para separar sólidos finamente divididos de sólidos granulares y se efectúa mediante movimiento de cernido en una tamiz de mallas graduadas.

Entre los métodos físicos están: La evaporación, la destilación, la cristalización, la cromatografía y la lixiviación.

La evaporación sirve para recuperar el sólido de una solución líquida formada por un sólido disuelto en un líquido y consiste en calentar la solución hasta llegar a la temperatura de ebullición del líquido y permitir que este se evapore.

La destilación consiste en aumentar gradualmente la temperatura de la mezcla líquida con el fin de que se evapore el componente mas volátil, recoger sus vapores y condensarlos. La destilación puede ser: simple, fraccionada y al vacío.

La destilación simple se utiliza en la separación de mezclas líquidas homogéneas en la que los componentes presentan una diferencia apreciable en su temperaturas de ebullición, es decir existe un componente volátil ( de baja temperatura de ebullición) y un componente pesado ( de alta temperatura de ebullición). En el caso de que ambos componentes sean volátiles, por este método no se obtiene una buena separación y es necesario recurrir a la destilación fraccionada.

La destilación fraccionada se diferencia de la destilación simple en que utiliza una torre de fraccionamiento, es decir, un cilindro de vidrio relleno de un material inerte, cuya función es aumentar el área de contacto entre el vapor ascendente y la corriente líquida descendente, propiciando de esta forma la transferencia del componente volátil del líquido al vapor y del componente pesado del vapor al líquido. De esta forma se obtiene un vapor rico en el componente mas volátil y un líquido rico en componente menos volátil.

La destilación al vacío se utiliza en la separación de mezclas homogéneas líquidas en las cuales los componentes presentan altas temperaturas de ebullición, como es el caso de los aceites pesados. Al llevarse a cabo la destilación al vacío, se logra rebajar considerablemente las temperaturas de ebullición.

La cristalización consiste en rebajar gradualmente la temperatura de la mezcla líquida, permitiendo de esta forma que el componente

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de mayor temperatura de fusión cristalice primero y pueda ser retirado por filtración.

La cromatografía se utiliza en la separación de los componentes de una mezcla homogénea líquida y aprovecha la propiedad que poseen estos de recorrer un medio determinado a diferentes velocidades. Las técnicas de cromatografía se diferencian en el medio utilizado. Estas técnicas son: la cromatografía de papel. La cromatografía de capa delgada, la cromatografía de columna y la cromatografía de gas.

La cromatografía de papel utiliza un papel de filtro como medio separador de los componentes. Se coloca una pequeña cantidad de la mezcla junto con una cantidad determinada de solvente, dentro de un recipiente; a continuación se introduce el extremo de un papel de filtro y el solvente al subir por el papel arrastra los componentes de la mezcla, pero como estos viajan a diferentes velocidades a través del papel se van separando.

La cromatografía de capa delgada utiliza gel de sílice en agua, la cual se coloca en el extremo de un vidrio plano y se arrastra con una varilla para formar la superficie plana y delgada sobre el vidrio. La técnica de separación es igual a la cromatografía de papel.

La cromatografía de columna utiliza una columna cilíndrica de vidrio empacada con alúmina de sílice . La mezcla que se va a separar se coloca en la parte superior de la columna y son arrastrados a través de esta por el solvente. En la parte inferior de la columna se van recogiendo porciones definidas las cuales se van analizando por separado. La separación se logra debido a que las diferentes sustancias descienden por la columna a diferentes velocidades.

La cromatografía de gas emplea también una columna empacada, pero la mezcla líquida que se va a separar se inyecta en un recipiente a altas temperaturas, donde las sustancias a medida que se evaporan son arrastradas por una corriente de un gas inerte a través de la columna empacada con el medio de separación. Entre los gases utilizados está en nitrógeno y el helio. Las distintas sustancias evaporadas atraviesan el medio a diferentes velocidades. Un detector colocado a la salida de la columna, envía señales a un graficador y así aparece un dibujo con tantas señales como componentes tenga la mezcla.

La lixiviación es una operación utilizada en la separación de los componentes de una mezcla sólida y consiste en poner en contacto la mezcla sólida finamente molida con un solvente líquido selectivo. El solvente disuelve el componente deseado y lo retira en la corriente líquida de donde se puede retirar por evaporación o destilación.

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1.8 – MATERIA Y ENERGIA

La energía se define como la capacidad para producir un trabajo. La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía en el universo es constante, es decir que la energía ni se crea ni se destruye solo se transforma. Algunas formas de energía son: potencial, cinética, eólica, lumínica, térmica, química, nuclear, radiactiva.En todos los cambios que ocurren en el universo, no hay pérdidas de energía, sino conversión de una forma de energía en otra. Por ejemplo: el agua estancada en una represa contiene energía potencial, la cual se convierte en energía cinética al caer por una tubería inclinada y al mover una turbina se convierte en energía eléctrica; esta a su vez puede transformarse en energía lumínica, térmica, etc.

La observación detenida de los procesos de desintegración radiactiva ha llevado a la conclusión de que la materia es una forma de energía. En estos procesos hay conversión de masa en energía: potencial, térmica y radiactiva. De acuerdo con los planteamientos de Albert Einstein, la energía producida por una cantidad de masa m al desintegrarse es igual a:

E = m c2

Donde c es la velocidad de la luz y es igual a 3 * 1010 cm/s. Para que la masa de en gramos la energía debe expresarse en ergios ya que:

1 ergio = 1 ( gr )( cm2 )/ ( s2 )

Las relaciones con otras unidades de energía son:

1 joule = 0.239 calorías = 107 ergios

Ejemplo 10. Cuantas calorías produce la desintegración radiactiva de1 mg de uranio.

m = 0.001 gr

E = (0.001 gr)( 3 * 1010 cm/s)2

= 9 * 1017 ergios = (9 * 1017 ergios)(0.239 cal) / (107ergios) = 2.151 * 1010 calorías.

Ejemplo 11. Si en una reacción química se liberan 5.000 kilocalorías (Kcal), que cantidad de masa se transformó en energía.

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Como una Kcal = 1000 calE = (5 * 106 cal)(107ergios) / (0.239 cal)

= 1.195 * 1013 ergios

m = E / c2

= (1.195 * 1013 gr. cm2 / s2 )/ (3 * 1010cm/s)2

= 1.327 * 10-8 grs.

1.9 – EJERCICIOS RESUELTOS

1.1 – Un lote tiene la siguiente forma y dimensiones:

40 m

20 m

60 m

Halle el área del lote en: m2, pie2 y Ha.

Para hallar el área del lote lo dividimos en dos áreas de tal forma que:

Area del lote = Area 1 + Area 2

40 m

20 m Area 1

Area 2 60 m

Area 1 = (20 m)(40 m) = 800 m2

Area 2 = (½)(20 m)(20 m) = 200 m2

Area del lote = 1000 m2

= 1000 m2 (3.28 pie)2/(1 m)2

= 10758.4 pie2

= 1000 m2 (1 Ha)/(10000 m2) = 0.1 Ha

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1.2 – Un manómetro de rama abierta a la atmósfera marca una diferencia de altura de +5 cm de Hg, cuando se conecta a un cilindro que contiene un gas. Calcula la presión del gas en: mm de Hg, Atm y Lbf/plg2

Como la altura es positiva, entonces:

Pgas = P atm. + P manómetro = 76 cm de Hg + 5 cm de Hg = 81 cm de Hg = 810 mm de Hg

= 810 mm de Hg ( 1 atm.)/(760 mm Hg.) = 1.065 atm

= 1.065 atm ( 14.7 Lbf/plg2)/(1 atm.) = 15.6555 Lbf/plg2

1.3 – Si 20 grs de una sustancia A ocupan el mismo volumen que 10 grs de una sustancia B, y la densidad de A es 1.2 gr/cm3, cual es la densidad de B.

DA = mA / VA

DB = mB / VB

Si: VA = VB Entonces: (mA)(DB) = (mB)(DA) DB = (mB)(DA) / (mA) DB = (10 gr ) (1.2 gr/cm3 ) / (20 gr ) = 0.6 gr/cm3

1.4 – Se tiene una muestra de ácido sulfúrico concentrado que tiene el 98.2 % en peso de ácido y una densidad de 1.841 gr/cm3. Cuantos gramos de ácido sulfúrico contienen 100 cm3 de solución.

Utilizando la densidad de la solución hallamos la masa así:

m = D V = (1.841 gr/cm3)( 100 cm3) = 184.1 gr

Esta es la masa de la solución pero como el 98.2 % es ácido, entonces:

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Gramos de H2SO4 = (184.1 gr)(98.2) / (100) = 180.78

1.5 – Un trozo de metal que pesa 16.52 gr se introduce en un matraz de 24.52 cm3. Para llenar el matraz hay necesidad de añadir 19.6 gr de agua de densidad 1.00 gr/cm3. Calcule el volumen del metal, su densidad, su volumen específico y su peso específico.

Masa del metal = 16.52 gr

Volumen del matraz = 24.52 cm3

Volumen ocupado por el agua = (19.6 gr) / (1 gr/cm3) = 19.6 cm3

Volumen ocupado por el metal = 24.52 cm3 - 19.6 cm3

= 4.92 cm3

Densidad del metal = 16.52 gr / 4.92 cm3

= 3.36 grs/ cm3

Volumen específico = 1 / 3.36 grs/ cm3

= 0.298 cm3/gr

Peso específico = (3.36 grs/ cm3) / (1.00 grs/ cm3) = 3.36

1.6 – Una mezcla gaseosa contiene 6 gramos de nitrógeno de densidad 1.14 grs/ ltr y 4 gramos de oxígeno de densidad 1.31 grs/ ltr. Calcule: a) porcentaje en peso de oxígeno en la mezcla y b) porcentaje en volumen de oxígeno en la mezcla.

% WO2 = (WO2) (100) / (Wm) = (4gr)(100) / (10gr) = 40 %

Volumen de O2 = (m) / (D) = (4 gr) / (1.31 grs/ltr) = 3.05 lts

Volumen de N2 = (6 gr) / 1.14 gr/lts) = 8.31 lts

% en vol. De O2 = (VO2) (100) / (Vm) = (3.05 lts)(100) / (8.31 lts) = 36.7 %

1.7 – Si en una reacción química se liberan 63 Kcal, que cantidad de masa se transformó en energía.

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63 Kcal = 63.000 cal = (63000 cal)(107 ergios) / (0.239 cal) = 2.6359 * 1012 ergios.

m = E / c2

= (2.6359 * 1012 ergios) / (3 * 1010 cm/s)2

= 2.9287 * 10-9 grs.

Como podemos observar la cantidad de masa que se transforma en energía es despreciable para las reacciones químicas

1.8 - Si en una desintegración radiactiva se presenta una perdida de masa de 1 gramo, que cantidad de energía en Kcal se libera.

E = m c2

= (1 gr) (3 * 1010 cm/s)2

= 9 * 1020 ergios = (9 * 1020 ergios)(0.239 cal) /(107 ergios) = 2.151 * 1013 cal = 2.151 * 1010 Kcal

Como podemos observar la cantidad de energía liberada en la desintegración radiactiva de un gramo de masa es bastante grande.

1.9 – Una aleación ha sido mecanizada en forma de disco plano de 3 cm de diámetro y 0.5 cm de espesor con un hueco central de 0.7 cm de diámetro. Si el disco pesa 18.5 gramos Cual es la densidad de la aleación y su peso específico.

Si llamamos R el radio del disco y r el radio del hueco y e el espesor, entonces:

V = Vol. Del disco – Vol. Del hueco = ( R2 – r2 ) e = ( ( 1.5 cm)2 – (0.35 cm)2 ) (0.5 cm) = 3.3419 cm3

D = ( 18.5 gr ) / (3.3419 cm3) = 5.53 gr / cm3

p.e. = (5.53 gr / cm3) / (1.00 gr / cm3)

= 5.53

1.10 - EJERCICIOS PROPUESTOS

1.1 – Un terreno tiene la siguiente forma y dimensiones:

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180 pie

60 pie

120 pie

Calcule el área del terreno en pie2, m2 y Ha.

1.2 - Un tanque para almacenamiento de agua tiene forma cilíndrica, de 1.5 m de altura y 0.5 m de radio, calcule su volumen en: pie3, m3, litros y galones.

1.3 – Un manómetro de rama abierta a la atmósfera se utiliza para medir la presión de un gas y marca una diferencia de altura de –25 cm de Hg. calcule la presión del gas en: mm Hg, Atm y Lbf/plg2.

1.4 Una gota de mercurio de 3 mm de diámetro pesa 0.19226 grs. Calcule la densidad del mercurio en: gr/cm3, Lbm/pie3 y Kg/ m3. calcule también su volumen específico y su peso específico.

1.5 – Un cubo de Zn de 0.25 pies de lado, pesa 7.1094 libras, calcule la densidad del Zn en: gr/cm3, Lbm/pie3 y Kg/ m3. calcule también su volumen específico y su peso específico

1.6 – Una solución acuosa de ácido clorhídrico (HCl), tiene una densidad de 1.2 gr/cm3 y contiene el 39.11 % en peso de ácido. calcule los gramos de HCl y de agua que hay en un litro de solución.

1.7 – 500 mlts de una solución acuosa de ácido sulfúrico (H2SO4) de 1.52 gr/cm3 de densidad y 61.59 % de ácido, se mezcla con 350 mlts de otra solución también de ácido sulfúrico de 1.605 gr/cm3 y 96.13 % en peso del ácido. Calcule los gramos de ácido sulfúrico y los gramos de agua que hay en 100 mlts de la solución resultante.

1.8 – El volumen del plasma sanguíneo de un adulto es de 3.1 litros y la densidad del plasma es de 1.02 gr/cm3. Alrededor de cuantos gramos de plasma hay en su cuerpo.

1.9 – El aire limpio tiene un 21 % en volumen de oxígeno. Siendo la densidad del oxígeno 1.31 gr/cm3, cual sería el volumen de una habitación a la que le caben 77 Kg de oxígeno.

1.10 – Un sólido que pesa 12.02 grs se introduce en un matraz de 19.62 cm3 de capacidad, necesitándose 12.023 grs de alcohol etílico de densidad 0.787 gr/cm3 para llenar el matraz. Cual es la densidad del metal.

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1.11 – En la combustión de una mol de metano (CH4) se desprenden 212.8 Kcal. Calcule la cantidad de masa que se transforma en energía en la combustión de 5 moles de metano.

1.12 – Calcule la cantidad de energía liberada en la descomposición radiactiva de un kilogramo de uranio.

1.13 – Clasifique como: elemento, compuesto, mezcla homogénea o mezcla heterogénea, a las siguientes formas de amteria.

a) Potasa b) calcio c) Hielo seco d) Vitamina C e)Cervezaf) Agua oxigenada g) Caliza h) Latón i) Lawrencio j) Acero

1.14 – Elija el método de separación mas adecuado para cada una de las siguientes mezclas:

Arena y solución salina Agua y etanos Agua y petróleo Solución de compuestos orgánicos Hierro y asufre

1.15 – Defina las siguientes propiedades y clasifíquelas como extensivas o intensivas, físicas o químicas:

Calor de combustión Indice de refracción Energía potencial Viscosidad Velocidad de reacción Conductividad térmica Punto de fusión Peso específico

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