cuadernillo quimica i isa

Qumica I

Para Primer Ao de Carreras Tcnicas Instituto de Ciencias Biomdicas San Agustn

Karim F.J. Zgaib

Qumica I

Instituto San Agustn

UNIDAD 1: ESTRUCTURA ATMICAEn la antigedad se supona que la materia estaba constituida por partculas pequeas e indestructibles que los filsofos griegos denominaron tomos (del griego a = sin y tomos = dividir). Sin embargo el desarrollo de la ciencia a travs de numerosas investigaciones puso en duda esta suposicin hasta que pudo comprobarse que el tomo es divisible. En la segunda mitad del siglo XIX investigadores se dedicaron a estudiar los efectos que produca una descarga elctrica en gases encerrados en un tubo de vidrio a muy baja presin. Emplearon un tubo de vidrio con dos placas metlicas (electrodos) conectadas una al polo positivo y la otra al negativo de una fuente de alta presin actuando como nodo y ctodo respectivamente. Al aplicar la alta tensin salan haces de luz dbil que se denominaron rayos catdicos. El anlisis de estos rayos permiti comprobar que estaban formados por partculas con carga negativa que se llamo electrones.

Continuando las investigaciones, utilizando un ctodo perforado, se observ detrs del mismo un fino haz de luz que se le denomin rayos canales. El estudio de estos rayos permiti verificar que estaban compuestos por partculas cargadas positivamente con una mas de 1840 veces mayor que la de los electrones a estas partculas las llam protones.

Con estas experiencias se comprueba la naturaleza elctrica de la materia.

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Qumica I MODELO ATMICO DE THOMSON


Para explicar la estructura del tomo, los investigadores fueron proponiendo diferentes modelos a medida que se realizaban e interpretaban las diversas experiencias. As, en 1898 Thomson expuso lo que se considera el primer modelo atmico. El modelo de Thomson supone que el tomo es una esfera uniformemente cargada de electricidad positiva, dentro de la cual estn los electrones negativos (vase figura). El tomo es elctricamente neutro porque las cargas negativas de los electrones equivalen a las positivas de la esfera. ste modelo se ha comparado con un budn de frutas , donde las frutas representan los electrones.

MODELO ATMICO DE RUTHERFORDEl descubrimiento de la radiactividad permiti seguir avanzando en la interpretacin de la estructura del tomo. As en 1911, Lord Rutherford, con la finalidad de comprobar la veracidad del modelo de Thomson, investig la dispersin que experimentaban las partculas alfa al atravesar una lmina muy delgada de oro.

Rutherford observ que al atravesar la lmina de oro con partculas alfa (partculas cargadas positivamente), la gran mayora la atravesaba sin inconvenientes, mientras que una menor cantidad de partcula se desviaban de su trayectoria e incluso algunas pocas rebotaban. Segn sus propias palabras era como si le disparara con un arma de fuego a una hoja de papel y la bala rebotara

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Qumica I


sta experiencia de Rutherford hizo descartar el modelo de Thomson y permiti deducir cmo estn distribuidas las cargas elctricas y la masa en el tomo, constituyendo un importante avance en el conocimiento de la estructura atmica. La interpretacin de los resultados obtenidos en la experiencia antes descripta llev a Rutherford a proponer el siguiente modelo:

El tomo est formado por un ncleo central, con carga elctrica positiva, rodeado por los electrones negativos. El ncleo es muy pequeo con relacin al dimetro total del tomo, pero contiene la mayor parte de la masa atmica. Esto indica que el tomo tiene grandes espacios vacos, sin partculas materiales. Los electrones giran alrededor del ncleo sin chocar con l , a distancias variables pero sin exceder un cierto dimetro. El nmero de electrones es el suficiente para compensar la carga positiva del ncleo, de manera que el tomo, en conjunto, resulta neutro. Los electrones tienen una masa despreciable en relacin con la masa total del tomo.

ste modelo se puede comparar con el sistema solar, de modo que el ncleo del sistema representa al SOL y los electrones a los planetas.

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Qumica I


Problemas del Modelo de Rutherford.La deduccin de que el tomo posee un ncleo positivo y que a su alrededor estn los electrones, plantea un problema: si los electrones estuvieran en reposo, seran atrados por el ncleo por tener cargas opuestas y caeran sobre dicho ncleo. Para superar sta dificultad, Rutherford supuso que los electrones giraban alrededor del ncleo para contrarrestar la atraccin nuclear, de modo similar a como la Tierra gira alrededor del Sol. sta suposicin presenta una nueva dificultad: toda carga elctrica en movimiento irradia energa en forma de ondas electromagnticas. sta prdida de energa producira una reduccin en la velocidad del electrn, lo cual le restara capacidad para resistir la atraccin del ncleo. De sta forma el electrn se acercara al ncleo hasta caer en l.

Interpretacin de BohrEn 1913, Niels Bohr propuso una hiptesis que explica a qu se deben los espectros de rayas y cmo estn distribuidos los electrones en el tomo. Para ello tom como base la teora cuntica de Planck, la cual sostiene que la energa es discontinua, porque est formada por ciertas porciones llamadas cuantos, de modo similar a lo que sucede con la materia, formada por tomos.

Cuanto: es una cantidad definida de energa que una partcula puede emitir o absorber en forma de radiacin

Bohr, aplicando lo postulado por Planck, sostuvo que los electrones no pueden encontrarse en el tomo con cualquier cantidad de energa, sino con valores concretos y definidos, es decir en determinados niveles de energa.

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Qumica I MODELO DE RUTHERFORD-BOHR


Los principales postulados de Bohr se pueden expresar as: Los electrones no poseen cualquier cantidad de energa sino valores determinados (cuantos de energa). Los electrones slo pueden girar alrededor del ncleo positivo en determinadas rbitas circulares, denominadas niveles de energa. Cuando un electrn salta de un nivel a otro inferior pierde un cuanto de energa, emitiendo una radiacin luminosa caracterstica. Por el contrario, cuando salta a un nivel superior absorbe un cuanto de energa que recibe del exterior (calor, luz, electricidad) Los electrones slo pueden variar de energa pasando de un nivel a otro en forma brusca e instantnea y no por una transicin gradual, porque ello se debe a la emisin o absorcin de cuantos de energa. Los niveles de energa se identifican con nmeros naturales. Al nivel de menor energa (ms prximo al ncleo)se le asigna el nmero 1,siguiendo con el 2 para el siguiente y as sucesivamente hasta llegar al 7. La expresin niveles de energa es sinnima de rbita o capa que se utilizaban en los primeros modelos.

Energa

n=7 n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 n=1

Diagrama de niveles energticos

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Qumica I


EL DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRNEn 1920, Rutherford supuso que en el ncleo atmico, adems de protones, exista otra partcula sin carga elctrica que por esta causa era difcil de descubrir. Esto fue confirmado por James Chadwick, en 1932, al comprobar la existencia de una partcula nuclear elctricamente neutra y con una masa aproximadamente igual a la del protn, que fue denominada neutrn. Se ha establecido que:

El neutrn tiene una masa de 1,6748 x10-24 gramos (1,00866 u.m.a.) y su carga elctrica es nula

Sobre la base de las investigaciones de Rutherford y Bohr, la estructura del tomo se puede resumir del siguiente modo: El tomo est compuesto por protones, electrones y neutrones. Consta de un ncleo formado por protones y neutrones. stas partculas son las responsables de la masa del tomo. El ncleo tiene carga positiva porque los protones son positivos y los neutrones carecen de carga. En la zona extranuclear, se encuentran los electrones cuya masa es casi despreciable. sta zona presenta grandes espacios vacos. Los electrones se ubican en diferentes niveles de energa. Cada uno de stos niveles slo admite un cierto nmero de electrones (el nmero mximo de electrones de cada nivel se calcula aplicando la frmula 2.n 2). La cantidad de protones positivos es igual a la cantidad de electrones negativos, de modo que el tomo en su conjunto es elctricamente neutro.

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Qumica I REPRESENTACIN DE LOS TOMOS


La representacin de un tomo cualquiera (X) puede efectuarse del siguiente modo:

AX Z

A = N MsicoZ= N Atmico

NMERO ATMICOLos tomos de cada elemento presentan un determinado nmero de protones en su ncleo, nmero que le es propio y distintivo. As los tomos de hidrgeno tienen un protn; los de oxgeno, ocho; los de carbono, seis, etc. Ese nmero que sirve para identificarlos se denomina nmero atmico y se representa con la letra Z. En consecuencia:

Nmero atmico (Z) es la cantidad de protones que tiene un tomo en su ncleo

En el caso del hidrgeno su Z= 1 porque tiene un protn; en el oxgeno Z= 8; En el carbono Z= 6, etc. Como los tomos son neutros desde el punto de vista elctrico, el Z indica tambin el nmero de electrones que tienen. Entonces los tomos de hidrgeno cuentan con un electrn; los de oxgeno, con ocho; los de carbono, seis; etc.

NMERO MSICOLa masa de un tomo est concentrada en el ncleo formado por protones y neutrones, porque la masa de los electrones es tan pequea que puede no tenerse en cuenta. Por eso, la suma de protones y neutrones, se denomina nmero de masa o nmero msico y se representa con la letra A. Entonces:

Nmero de masa (A) es igual a la suma del nmero de protones y neutrones que tiene un tomo en su ncleo.

As, si un tomo de oxgeno tiene ocho protones y ocho neutrones, su nmero de masa (A) es igual a 16. En un tomo de cloro que tiene 17 protones y 18 neutrones su A= es de 35.

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Qumica I


Como la masa del protn y del neutrn es aproximadamente igual a 1 u.m.a., el valor del nmero msico es aproximadamente igual a la masa atmica.

ISTOPOSEl estudio de tomos del mismo elemento permite encontrar casos como el siguiente:

6p 6n

6p 7n

6p 8n

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13

14

C6 6

C6

C

Todos estos tomos pertenecen al elemento carbono, pues tienen 6 protones en su ncleo (Z=6). Sin embargo, presentan diferente nmero de neutrones, por lo cual su nmero msico es distinto (A= 12; A=13; A=14). Estos tomos con igual nmero de protones pero diferente masa se denominan istopos.

Istopos son tomos que tienen el mismo nmero atmico pero distinto nmero de masa

MODELO ATMICO MODERNOLa hiptesis de Bohr explicaba bien los espectros del tomo de hidrgeno, que es el ms sencillo, pero ocurra lo mismo con los tomos de los otros elementos que son ms complejos. Esto oblig a continuar y profundizar las investigaciones. Bohr supona que todos los electrones de una rbita o nivel dado presentan la misma energa, pero no es totalmente correcto. El estudio de los espectros de diferentes elementos demostr que , a excepcin del primer nivel de energa, los otro estn formados por varios subniveles ntimamente agrupados entre s. Se ha establecido que el nmero de subniveles de cada nivel energtico es igual al nmero de nivel. As la rbita 1 (n=1) consta de un solo nivel; la rbita 2 (n=2) de dos subniveles; la rbita 3 (n=3) hay tres, etctera. Los subniveles se designan con las letras s, p, d y f, que corresponden a las iniciales de las palabras del ingls, relacionadas con los espectros atmicos: sharp (agudo), permanet (permanente), diffuse (difuso), fundamental (fundamental).

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Qumica I


El nivel energtico 1, presenta el subnivel 1s; el nivel 2, los subniveles 2s 2p; el nivel 3, los subniveles 4s, 4p, 4d, 4f, etctera. Del mismo modo que cada nivel admite un mximo de electrones, cada subnivel tambin tiene limitado el nmero de electrones que puede contener: los subniveles s hasta dos electrones, los subniveles p hasta 6 electrones, los d hasta 10 y los f hasta 14. Forma de los subniveles Subnivel s

Subnivel p

Subnivel d

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Qumica ISubnivel f


Estructura de los Niveles y subniveles de energa NIVEL 1 2 SUBNIVEL s s d s 3 p d s 4 p d fCANTIDAD MXIMA DE ELECTRONES 2e2e6e2e6e10e2e6e10e14e-

Configuracin Electrnica:La distribucin de los electrones de un tomo en sus niveles y subniveles se puede representar en forma abreviada de la siguiente manera: a) Un coeficiente que indica el nmero del nivel de energa (n) b) Una letra que corresponde al subnivel. c) Un suprandice que seala el nmero de electrones que hay en el subnivel. N 7 = 1s2 2s2 2p3 Pero como ya fue expresado, la diferencia de energa entre los subniveles es cada vez menor a medida que se alejan del ncleo, es decir, que el nivel 1 est ms separado del 2 que ste del 3 y as sucesivamente. Entonces, a medida que aumenta el valor de n, los niveles de energa estn ms prximos entre s. Adems de aumentar n, tambin crece el nmero de subniveles de cada nivel. Esto determina que en los niveles superiores las energas de

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Qumica I


los subniveles cercanos difieran muy poco entre s, llegando a su entrecruzamiento. ste es an mayor si se consideran los niveles 5, 6 y 7. Para simplificar stos conceptos, surge una regla muy sencilla para realizar correctamente una configuracin electrnica dada. sta regla se denomina regla de las diagonales.

En orden del entrecruzamiento de subniveles, el orden en que se van completando los subniveles por energa creciente es el siguiente: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s2, 4f14, 5d10, 6p6, 7s2, 5f14, 6d10, 7p6.

Ejemplos:18Ar= 19K= 20Ca= 21Sc=

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

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Qumica I


UNIDAD 2: TABLA PERIDICACLASIFICACIN PERIDICA DE LOS ELEMENTOSEntre las propiedades de los elementos qumicos, existen semejanzas y diferencias, que permiten su clasificacin. sta clasificacin es til para sistematizar su estudio y tratar de encontrar una explicacin a dichas propiedades. Desde fines del siglo XVIII, los cientficos han realizado diversos intentos para obtener un adecuado ordenamiento de los elementos qumicos. Recin en 1869, el qumico ruso Dimitri Mendeleiev, relacion las propiedades qumicas y fsicas de los elementos con sus masas atmicas, encontrando una repeticin peridica de dichas propiedades cuando los elementos se disponen en orden creciente de sus masas atmicas. ste descubrimiento se conoce como Ley peridica de Mendeleiev y puede enunciarse as:

Las propiedades de los elementos son una funcin peridica de su masa atmica

I. SISTEMA PERIDICO DE MENDELEIEVMediante la relacin establecida, Mendeleiev fue ordenando los elementos por sus masas atmicos crecientes. Los siete primeros elementos quedaron ordenados del siguiente modo:

Li

Be

B

C

N

O

F

(Al hidrgeno debi dejarlo afuera porque sus propiedades diferan mucho de las de los otros elementos). Al continuar con el ordenamiento por masas atmicas crecientes, observ que el elemento siguiente, que era el Sodio, tena propiedades semejantes al Litio, por lo cual comenz una nueva hilera. El Magnesio, que segua al Sodio, presentaba propiedades semejantes al Berilio, el Aluminio era parecido al Boro, y as continu hasta llegar al Cloro, obteniendo lo siguiente:

Li Na

Be Mg

B Al

C Si

N P

O S

F Cl

Despus del Cloro, estudi al Potasio, viendo que sus propiedades son similares al Sodio, por lo cual inici una tercera fila. Luego ubic al Calcio cuya masa atmica (A) es igual a 40. El elemento conocido siguiente era el Titanio de A= 48 y

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Qumica I


cuyas propiedades son ms parecidas al Silicio que al Aluminio. Esta dificultad le hizo inferir la existencia de un elemento an no descubierto en su poca. Entonces, la tabla continuaba as:

Li Na K

Be Mg Ca

B Al ?

C Si Ti

N P V

O S Cr

F Cl Mn

De este modo se fueron formando columnas verticales que denomin grupos, en los cuales los elementos tienen propiedades similares, y a las filas horizontales las llam perodos. En sus primeras clasificaciones, Mendeleiev no incluy a los gases inertes, porque todava no se saba de su existencia. Cuando se concret su descubrimiento, los incorpor a la tabla formando una nueva familia que denomin Grupo cero.

Irregularidades de la Tabla Peridica de Mendeleiev La clasificacin de Mendeleiev presenta algunas irregularidades, tales como: El hidrgeno no tiene una ubicacin adecuada, pues sus caractersticas no corresponden a las del grupo 1 que es donde se encuentra. Algunos de los elementos no estn ordenados por sus masas atmicas crecientes, como en los casos del Telurio ( A= 127.60) y el Iodo (A= 126.90); el Cobalto (A=58,93) y el Nquel (A= 58,71); el Argn (A=126,90) y el Potasio (A= 39,10).Mendeleiev tuvo que cambiar el orden en stos casos para que los elementos estn en los grupos que corresponden a sus propiedades qumicas. ste hecho se conoce como inversiones de la Tabla Peridica

Teniendo en cuenta las propiedades de los elementos y sus masas atmicas, Mendeleiev dej algunos espacios vacos para que dichos elementos quedaran en el grupo que mejor respondiera a sus propiedades. Explic ste hecho suponiendo que esos casilleros vacos correspondan a elementos desconocidos en su poca. As predijo la existencia y las propiedades de tres elementos an no descubiertos. sta prediccin fue una de los mayores xitos de Mendeleiev, pues efectivamente veinte aos despus fueron descubiertos dichos elementos, recibiendo el nombre de Galio, Escandio y Germanio, respectivamente.

Moseley perfecciona la Tabla PeridicaEn 1919 el fsico ingls Henry Moseley, estudiando los rayos X obtenidos de distintos elementos, lleg a la conclusin de que las propiedades de los elementos se repiten peridicamente en funcin del nmero atmico (Z) y no de sus masas atmicas como sostena Mendeleiev. En consecuencia la Ley peridica qued modificada del siguiente modo:

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Qumica I


Las propiedades de los elementos son una funcin peridica de su nmero atmico

Desde se entonces, los elementos han sido ordenados por su nmero atmico creciente, corrigindose algunas irregularidades del sistema de Mendeleiev, tales como las inversiones de la Tabla Peridica, antes sealadas.

II. TABLA PERIDICA MODERNA

La tabla peridica moderna est relacionada con la configuracin electrnica de los tomos. En ella se encuentran todos los elementos qumicos conocidos, tanto los 92 que se encontraron en la naturaleza cmo los que se obtuvieron en el laboratorio por medio de reacciones nucleares. Los elementos estn ordenados por su nmero atmico creciente. Comienza por el H , sigue el He, Li, Be, B, C, N, O, etctera. 1 A cada elemento le corresponde un casillero, donde figuran el correspondiente smbolo, el nmero atmico, la masa atmica, la distribucin de los electrones, etc.

Nmero atmico

6

2 4

Distribucin de electrones en niveles

Smbolo

CCarbono 12,01

Nombre

Masa atmica

Las filas horizontales se denominan perodos y las columnas verticales reciben el nombre de grupos.

En la Tabla Peridica actual el Nmero Atmico es el nmero de orden de los elementos

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Perodos En total existen siete perodos. En el primer perodo slo hay dos elementos: Hidrgeno y Helio. Sus tomos tienen un slo nivel de energa y sus configuraciones electrnicas son 1s1 y 1s2 , respectivamente2 En el segundo perodo hay ocho elementos: Li, Be, B, C, N, O, F y Ne. Todos ellos tienen completo su primer nivel (1s2 ) y van completando el segundo nivel del siguiente modo:

Li = 2s1 Be = 2s2 B =2s2 2p1 C = 2s2 2p2 N =2s2 2p3 O = 2s2 2p4 F = 2s2 2p5 Ne = 2s2 2p6.

En el tercer perodo, tambin hay ocho elementos: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl y Ar. Presentan sus dos primeras rbitas completas ( 1s2 2s2 2p6) y los electrones van llenando los subniveles de la tercera rbita as: los dos primeros completan el subnivel s y los seis restantes el subnivel p. El ltimo elemento es el Ar cuya configuracin electrnica es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6. El cuarto perodo es ms largo, est formado por dieciocho elementos. En los dos primeros (K y Ca) se completa el subnivel 4s, en los diez siguientes ( Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, y Zn) se llenan los orbitales del subnivel 3d (entrecruzamiento de subniveles) y en los seis restantes (Ga, Ge, As, Se, Br y Kr) se satura el subnivel 4p. El quinto perodo es anlogo al anterior y tambin cuenta con dieciocho elementos. En los dos primeros (Rb Y Cs) se llena el subnivel 5s, en los diez siguientes el 4d y en los seis restantes el 5p. El sexto perodo es el ms largo de todos, pues tiene 32 elementos. El orden de llenado de los subniveles es 6s, 4f, 5d y 6p, por lo tanto, hay cuatro grupos formados por: a) Dos elementos (Cs y Ba) en los que se ocupa el subnivel 6s. b) Catorce elementos (del Ce al Lu) en los que se llena el subnivel 4f.- 15

Qumica I


c) Diez elementos (del La al Hg9 en los que se completa el subnivel 5d. d) Seis elementos (del Tl al Rn) donde se ocupa el subnivel 6p. Los catorce elementos en donde se completa el subnivel 4f, se representan por separado, generalmente al pie de la tabla y se denominan lantnidos.

El perodo sptimo es anlogo al sexto aunque no se ha producido la cantidad necesaria de elementos para completarlo. El orden de llenado de os subniveles es 7s, 5f, 6d. Los catorce elementos (del Th al Lw) en los que se completa el subnivel 5f tambin se representan por separados y se llaman actnidos.

El nmero de perodos indica la cantidad de niveles energticos

(rbitas) que tienen lo tomos de los elementos que se ubican en dicho perodo. As, el H y el He que estn en el perodo 1 tienen una sola rbita; el Li al estar en el perodo 2 cuenta con dos rbitas, etctera.Todos los perodos empiezan con un elemento en el que comienza a llenarse un orbital s. Los perodos 2,3,4,5 y 6 terminan con un gas noble en el que se completa un orbital p.

Grupos: Todos los elementos de un mismo grupo presentan igual configuracin electrnica externa. Los elementos ubicados en un mismo grupo tienen propiedades qumicas similares y sus propiedades fsicas estn relacionadas. En el grupo 18 se encuentran los gases inertes (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn), tambin conocidos como gases raros o nobles, que se caracterizan por su inactividad qumica. A los elementos ubicados en el grupo 1 se los suele denominar metales alcalinos, con excepcin del hidrgeno, que no es metal. Los elementos del grupo 17, menos el astato, reciben tambin el nombre de halgenos.

Observaciones generales: Al hidrgeno no se le ha encontrado una ubicacin satisfactoria, pues por su estructura electrnica le corresponde el grupo 1, pero sus propiedades se asemejan ms al grupo 17. Entonces, generalmente se lo representa en el grupo 1, algo separado de los otros elementos de ese grupo para indicar las diferencias expuestas. Los metales se encuentran a la izquierda de la tabla. El primer elemento de cada perodo (Li, Na, K, etc.) presenta carcter metlico muy evidente, el cual disminuye a medida que se avanza horizontalmente hacia la derecha, mientras se va manifestando las caractersticas propias de los no metales. Los elementos del grupo 17 son francamente no metales.- -

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METALESTienen brillo metlico. Las partculas que los forman estn fuertemente unidas. Alto punto de ebullicin. Tienen alta densidad y son generalmente slidos. Tienden a perder electrones. Son maleables.

NO METALESNo pueden brillar. Las partculas que los forman estn unidas ms dbilmente. Bajo punto de ebullicin. Tienen menor densidad y generalmente gases o lquidos. Tienden a ganar electrones. No son maleables. son

Una lnea quebrada que pasa entre el boro y el aluminio y desciende hasta el polonio y el astato seala la separacin entre metales y no metales. Esta separacin no debe ser considerada como un lmite absoluto entre metales y no metales. A partir de su ubicacin en la tabla, se puede deducir la estructura atmica del elemento. Los elementos situados despus del uranio, reciben el nombre de transurnidos. Estos elementos no existen en la Naturaleza y han sido obtenidos artificialmente por reacciones nucleares.

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B

B

A

C

A

= MetalesA

B

= No metales

C

= Gases Inertes

Clasificacin de los elementos segn su configuracin electrnica:

Sobre la base de su configuracin electrnica, los elementos qumicos se pueden clasificar en cuatro grupos: a) Gases Inertes: Presentan su rbita electrnica externa completa con ocho electrones, con excepcin del He, que tiene dos electrones. En ellos, la estructura electrnica externa es s2 p6 , salvo en el He, que es s2 por tener un solo nivel de energa. Ocupan el grupo 18 de la Tabla Peridica. Elementos representativos: Son aquellos que tienen su rbita externa incompleta. El electrn diferencial se encuentra en los subniveles s o p.

b)

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Comprende a los elementos que ocupan los grupos 1,2,13,14,15,16 y 17 de la Tabla Peridica. c) Elementos de transicin: Se caracterizan por presentar sus dos ltimas rbitas incompletas. El electrn diferencial se ubica en los subniveles d. Esto significa que el electrn que se agrega lo hace en su anteltima rbita. Corresponden a esta clase los elementos de los grupos 3 al 12 de la Tabla. Elementos de transicin interna: Son los que representan sus tres ltimas rbitas incompletas. El electrn diferencial se halla en el subnivel f, es decir, que se incorpora a la antepenltima rbita. Constituyen las denominadas tierras raras (lantnidos y actnidos) ubicadas generalmente al pie de la Tabla.

d)

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Unidad N 3: Uniones qumicasConcepto de unin qumicaLas molculas de acuerdo con la teora atmico molecular estn constituidas por tomos. La qumica clsica constat la existencia de las molculas, determin sus frmulas moleculares y calcul sus respectivos moles, pero: por qu se unen los tomos entre s formando molculas? por qu dicha unin se efecta segn relaciones prefijadas y constantes? Es decir por qu la molcula de hidrgeno es H2 y no H, H3, H4 o H100? Qu conexin existe entre la estructura de las molculas y la de los tomos componentes? Resolver este temario no fue sencillo ni privilegio de un solo qumico. Entre los muchos que opinaron Kossel, Lewis, y ser Pauling el que dio lugar a la teora moderna de las uniones qumicas.

Las uniones qumicas, tambin llamadas enlaces qumicos, son mecanismos que interpretan la unin de los tomos que integran las molculas.

Definimos unin qumica como una fuerza que acta entre dos tomos o grupos de tomos, con intensidad suficiente como para mantenerlos juntos en una especie diferente. Un buen punto de partida para el estudio de las uniones qumicas es reconsiderar las configuraciones electrnicas de los gases nobles, en comparacin con la de los restantes elementos representativos, porque:

Los gases nobles tiene una configuracin electrnica saturada, con el mximo de electrones en todos los niveles de energa y 8 electrones en el nivel exterior ( a excepcin del helio)

En la configuracin electrnica de elementos representativos, los niveles internos de energa estn saturados, habiendo de 1 a 7 electrones externos

En cuanto a las propiedades qumicas;Los gases nobles no reaccionan qumicamente con otros elementos Los elementos representativos reaccionan entre s y con otros elementos

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No es difcil deducir que la actividad qumica de los elementos representativos se relaciona con los electrones del nivel externo denominados electrones de valencia; la cantidad de estos electrones coincide con el nmero del grupo al que pertenece. ElectronegatividadLa electronegatividad de un elemento mide la tendencia relativa del tomo a atraer electrones hacia s cuando se combina qumicamente con otro tomo.

En un perodo la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba dentro de los grupos. Los elementos con grandes diferencias de electronegatividad tienden a formar enlaces inicos. Los metales tienen baja electronegatividad y pierden con facilidad electrones y en los no metales la electronegatividad es alta y tienden a ganar electrones. Concepto de in Tras una nutrida experimentacin se demostr que en ciertas condiciones los tomos incorporan o ceden electrones modificando su configuracin electrnica. En el tomo neutro del elemento X cuyo nmero atmico es Z, hay: Z protones que generarn una carga (+ Z) y Z electrones que generarn una carga ( Z). Las cargas elctricas en igual cantidad y de signo contrario determinan la neutralidad del tomo, por cuanto: (+ Z) + (- Z) 0 = 0

EL TOMO NO TIENE CARGA ELCTRICA NETA La incorporacin o cesin de electrones con sus cargas negativas afectar el equilibrio elctrico del tomo neutro, presentndose dos alternativas:

Si el tomo X gana o acepta un electrn, adquiere una carga negativa Por ejemplo:

Si el tomo X pierde o cede un electrn, adquiere una carga positiva

El Na tiene un nmero atmico Z que es igual a 11, es decir que tiene 11 protones, por lo tanto tendr 11 cargas positivas, y 11 cargas negativas, (electrones). Al combinarse con otros elementos cede o pierde su electrn de valencia por lo que la cantidad de cargas negativas disminuye en uno. Al variar este equilibrio el tomo pierde su neutralidad, aumentando las cargas positivas.

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+11

Na-11

Si pierde un electrn

+11 -10

Na +

El Cl tiene un nmero atmico Z que es igual a 17; 17 cargas positivas, (protones) y 17 cargas negativas, (electrones). Al combinarse con otros elementos gana un electrn que incorpora a sus electrones externos por lo tanto la cantidad de cargas negativas aumenta en uno. Al variar este equilibrio el tomo pierde su neutralidad, aumentando las cargas negativas.+17 +17

Cl-17

Si gana un electrn

Cl -18

Al perder o ganar una carga elctrica negativa el tomo pierde neutralidad, por lo que se genera un ion.

Todo tomo que ha adquirido cargas elctricas es un ion. Hay dos clases de iones segn el signo de sus respectivas cargas elctricas: El tomo que pierde electrones y adquiere carga elctrica positiva es un catin El tomo que gana electrones y adquiere carga elctrica negativa es un anin. En el ejemplo anterior el Na+1 es ahora el catin sodio, el Cl-1

es el anin cloruro.

La formacin de iones no se limita a la ganancia y a la prdida de un solo electrn, por lo tanto la carga del ion variar segn la cantidad de electrones ganados o cedidos. Ejemplo: Ca 2e = Ca+2

Regla del octetoCuando un tomo representativo se transforma en su respectivo in, adquiere la configuracin electrnica de un gas noble, o sea con 8 electrones en su ltimo nivel energtico. Esto le permite al tomo adquirir la misma estabilidad y actividad del gas noble al que se parece. Esto constituye una regla, la regla del octeto: los elementos representativos adquieren configuraciones de gases nobles en la mayora de los compuestos que forman. Una vez producida esta transferencia de uno o ms electrones de un tomo a otro los elementos se mantienen unidos por esta diferencia de carga entre los iones que constituirn este compuesto. Este tipo de unin se denomina unin inica.

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Qumica I


UNIN INICAExiste mayor probabilidad de que este tipo de unin se produzca entre elementos muy distantes en la tabla peridica; metales y no metales, por lo que presentan grandes diferencias en sus propiedades peridicas; una de ellas la electronegatividad. El Na pierde un electrn y forma Na+1 (el catin sodio) que adquiere la configuracin del gas noble precedente, el nen El Cl gana un electrn, forma Cl -1 (anin cloruro) adquiriendo 18 electrones igual que el argn. La frmula NaCl corresponde al nico compuesto que se puede formar entre el cloro y el sodio. Su frmula qumica indica la proporcin de los tomos que lo forman. Segn la posicin de los elementos en la tabla peridica y la tendencia de la electronegatividad podemos conocer la naturaleza de la unin. Por lo tanto otros compuestos inicos se producen entre otros elementos del Grupo I ( Li, K, Cs ) y otros del Grupo VII ( F, Br, I); entre elementos metlicos del Grupo I y no metales del Grupo VI (O, S ); entre metales del Grupo II ( Mg, Ca, Ba) y no metales del grupo VI y entre metales del Grupo II y no metales del grupo V (N, P, As); otros metales que dan uniones inicas son Al, Sn y Pb.

UNIN COVALENTEExisten compuestos formados por dos no metales. Cuando stos se combinan, al tener poca diferencia de electronegatividad no se efecta una transferencia de electrones y el enlace inico no puede producirse. Las reacciones entre dos no metales producen enlaces covalentes. El enlace covalente se forma cuando dos tomos comparten uno o ms pares de electrones. Un ejemplo simple de enlace covalente es la formacin de la molcula de H2 a partir de dos tomos de hidrgeno. Cada tomo de hidrgeno posee un slo electrn desapareado en su nico nivel energtico 1 s1. Para adquirir estabilidad los tomos de Hidrgeno deben semejarse al gas noble ms prximo, el Helio, que completa su nivel energtico con dos electrones (excepcin a la regla del octeto). La nica forma de lograrlo es compartiendo sus electrones. En otras palabras los orbitales 1s se sobreponen de manera que ambos electrones se encuentran en los orbitales de ambos hidrgenos. Muchas sustancias simples que presentan molculas biatmicas comparten sus electrones del ltimo nivel energtico para satisfacer simultneamente sus respectivos octetos exteriores. En consecuencia: En un enlace covalente o electrovalente comn se comparten pares electrones entre los tomos, para que cada uno de ellos adquiera la configuracin electrnica de un gas noble. Dos tomos quedan covalentemente unidos cuando comparten pares de electrones.

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Qumica I


El enlace covalente puede ser simple cuando los tomos comparten un par de electrones como por ejemplo en la molcula de hidrgeno H2; hay enlaces covalentes dobles si comparten dos pares de electrones como en el O2 , y triple cuando los elementos comparten tres pares de electrones como en el N2.

2 tomos de Hidrgeno

1 molcula de hidrgeno

2 tomos de oxgeno

1 molcula de oxgeno

2 tomos de nitrgeno

1 molcula de nitrgeno

Otros compuestos que presentan enlace covalente comn son los formados por dos elementos no metlicos; como los compuestos formados por hidrgeno y los elementos del grupo VII (F,Cl, Br, I), y grupo VI ( O, S) o entre no metales.

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Qumica I


Los enlaces covalentes pueden ser polares o no polares. En un enlace covalente no polar como el de la molcula de H2, el par de electrones se comparte por igual entre los dos tomos de hidrgeno, al igual que los dos pares de electrones en la molcula del O2. Esto sucede porque la tendencia de atraer electrones hacia s en el enlace es igual. No sucede esto cuando dos no metales se combinan para dar un compuesto covalente como por ejemplo en la molcula del H2O (agua), o la del FH (fluoruro de hidrgeno). En estas molculas existe entre los tomos una diferencia de electronegatividad por lo que el par de electrones compartidos es atrado con ms fuerza por el elemento ms electronegativo. Los electrones de la unin crean una nube de electrones que rodea a ambos ncleos; el existir un elemento ms electronegativo que el otro, la nube de electrones se distorsiona en direccin de dicho elemento. Este desplazamiento hace que se genere una diferencia de densidad positiva hacia el elemento menos electronegativo y una densidad negativa en el ms electronegativo. Los enlaces covalentes en los cuales el par de electrones se comparte en forma desigual se conocen como enlaces covalentes polares. La molcula formada es una molcula polar que presenta sobre un polo una carga parcial positiva y sobre el otro una parcial negativa, creando un dipolo elctrico.

Molcula Covalente Polar

Existe otro tipo de unin covalente, este se denomina enlace covalente coordinado o enlace dativo el cual difiere del enlace covalente comn ya que el par de electrones compartido es provisto slo por un tomo. En la covalencia coordinada el par de electrones ocupa el orbital correspondiente de su tomo y en el otro debe haber un orbital atmico totalmente vaco. Un ejemplo de compuesto con enlace covalente coordinado o dativo es la molcula del dixido de azufre SO2. Tanto el azufre como el oxgeno pertenece al grupo VI por lo que presentan 6 electrones en su ltimo nivel energtico. El azufre se une a un tomo de oxgeno por una covalencia comn doble, ambos completan su octeto. El otro oxgeno tambin debe hacerlo y para ello podra aportar dos pares de electrones como el tomo de oxgeno anterior, pero el azufre no podra recibirlos porque su octeto est completo. Entonces se dan las condiciones para que slo un tomo en este caso el azufre, aporte el par completo de electrones a este segundo oxgeno. En este tipo de enlaces hay un tomo dador del par de electrones y el otro ser el receptor.

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Qumica I Frmulas de Lewis


Se conocen as a los diagramas de puntos y de rayas que se realizan de las frmulas qumicas slo para representarlas grficamente ya que no reproducen en escala reducida la realidad. Estos diagramas muestran el nmero de electrones de valencia o sea en el ltimo nivel energtico, el nmero y tipos de enlaces y el orden en que los tomos se encuentran conectados y no sirven para representar formas tridimensionales de molculas. Una molcula puede ser representada con los tomos rodeados de los electrones de valencia e indicando los que forman el enlace.

En las frmulas de rayas o guiones el par de electrones que se comparte se indica mediante un guin y con puntos pueden quedar representados los electrones que no participan en la unin o los no compartidos.

En el caso de los enlaces covalentes dativos el par de electrones cedidos por el tomo dador se presenta con una flecha que parte del dador al receptor

Como conclusin los enlaces covalentes pueden clasificarse segn el origen de los pares de electrones compartidos en:

Enlace covalente comn, cada tomo aporte uno o ms electrones, segn se trate de enlaces covalentes comunes simples, dobles o triples

Enlace covalente coordinado o dativo los dos electrones compartidos son provistos por uno de los tomos

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Qumica I Diferencias entre enlaces inicos y covalentes.ENLACE INICO tomos que intervienen METALES Y NO METALES


ENLACE COVALENTE NO METALES

Electrones

Se transfieren uno o ms En una covalencia comn se electrones de un tomo o comparten uno o ms pares de electrones entre dos tomos. Al grupo de tomos a otro, para formar aniones y no perder los tomos electrones cationes que se mantienen no se generan iones, pero los unidos por fuerzas tomos se mantienen asociados electrostticas por medio de un arreglo mutuo de electrones

Existe gran diferencia de Hay poca o ninguna diferencia de electronegatividad entre los electronegatividad elementos que forman el enlace Electronegatividad Para cumplir la regla del octeto cada ion y cada tomo adquiere la configuracin electrnica de un gas noble

A continuacin se resumirn algunas propiedades asociadas con diversos compuestos inicos y covalentes simples en casos extremos, estas diferencias pueden ser explicadas por desigualdades de enlace entre tomos o iones. Compuestos inicos 1. 2. 3. 4. Son slidos con punto de fusin altos por lo general, > 400 C Muchos son solubles en disolventes polares, como el agua La mayora es insoluble en disolventes no polares como, el benceno. Los compuestos fundidos o sus soluciones acuosas conducen bien la electricidad porque contienen partculas mviles con carga (iones).

Compuestos covalentes 1. Son gases, lquidos o slidos con puntos de fusin bajos por lo general < 300 C. 2. Muchos de ellos son insolubles en disolventes polares. 3. La mayora es soluble es disolventes no polares. 4. Los compuestos lquidos o fundidos no conducen la electricidad y sus soluciones acuosas suelen ser malas conductoras porque no contienen partculas con carga.

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Qumica I


UNIONES ENTRE MOLCULASTodo lo que nos rodea est formado por un conjunto de molculas. Qu hace que las molculas se mantengan unidas entre s? Manifestaciones de la existencia de estas uniones intermoleculares son los estados de agregacin de la materia la disolucin de unas sustancias en otras. Hemos visto que las fuerzas que mantienen unidos a los iones en los compuestos inicos se deben a la atraccin electrosttica entre las cargas de signo opuesto. Como se trata de fuerzas intensas, los puntos de fusin y de ebullicin de estas sustancias sern bastantes elevados, pues ser necesario entregar una gran cantidad de energa para separar los iones. En los compuestos moleculares, el pasaje de un estado de agregacin a otro no implica la ruptura de uniones entre tomos ya que las molculas mantienen su estructura. Como sabemos las sustancias moleculares no existen solamente al estado gaseoso, sino tambin en estados condensados, por lo tanto debe haber fuerzas que mantienen unidas a las molculas. Esas fuerzas deben ser relativamente pequeas tal como lo indican los puntos de fusin y de ebullicin. Estas fuerzas que actan entre molculas y que son responsables por ejemplo de la cohesin de los slidos moleculares se las denomina fuerzas intermoleculares o fuerzas de van der Waals. Estas fuerzas actan entre molculas y son mucho ms dbiles que las fuerzas correspondientes a las uniones covalentes. Su intensidad a una cierta temperatura determina si una sustancia molecular ser gaseosa, lquida o slida a dicha temperatura. Cuanto ms intensas sean las fuerzas intermoleculares, ms altos sern los puntos de fusin y de ebullicin. Hay tres tipos principales de fuerzas intermoleculares: a) Las fuerzas debidas a dipolos transitorios o fuerzas de London b) Las fuerzas debidas a dipolos permanentes o fuerzas dipolo- dipolo c) Uniones puente hidrgeno. a) Fuerzas de London: actan entre molculas, sean o no polares, o entre tomos, en el caso de una sustancia monoatmica. Son las responsables de la condensacin a temperaturas suficientemente bajas an de los gases nobles. Estas fuerzas son el resultado de corrimientos momentneos en la simetra de la nube electrnica de una molcula o tomo. Esto da como resultado una polarizacin transitoria. Surge entonces una dbil carga positiva en un extremo y en el otro una carga negativa y se genera una fuerza de atraccin entre las molculas. Por ejemplo entre molculas de oxigeno, dixido de carbono.

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Qumica I


b) Fuerza dipolo - dipolo: se producen entre molculas polares debido a la atraccin entre los extremos positivo y negativo de molculas adyacentes. Por ejemplo en la molcula del agua los polos positivos estn representados por los hidrgenos y el negativo por el oxgeno. Son estas atracciones las que deben ser vencidas para fundir al slido que influyen en su punto de fusin y persisten en el lquido y se ven en su punto de ebullicin. Al estado gaseoso al estar las molculas separadas ya no influyen tanto. Estas fuerza dipolo - dipolo tambin nos permite explicar las atracciones existentes entre un ion positivo o negativo y el extremo de carga opuesta de la molcula solvente polar. Esto explicara la solubilidad de las sustancias inicas en estos solventes. Cada especie inica se rodea de un cierto nmero de molculas de solvente. La especie inica se transforma en un in solvatado (o hidratado en el caso en que el solvente sea agua).

c) Uniones puente hidrgeno: se da tambin en molculas polares que presentan en su estructura un elemento muy electronegativo como el oxgeno, flor, nitrgeno y a veces cloro, con otro muy poco electronegativo, como el hidrgeno. El tomo de hidrgeno unido covalentemente con un tomo muy electronegativo es atrado por un segundo tomo electronegativo pero de otra molcula. Este tipo de unin nos permite explicar el alto punto de ebullicin del H2O comparado con los otros hidruros de los elementos del grupo VI. Las fuerzas ms intensas son las de los enlaces puente hidrgeno. Este tipo de fuerzas es la principal responsable de las propiedades singulares del agua y su consecuente influencia en el sistema de soporte de los seres vivos de la Tierra. En el agua, en estado slido, cada tomo de oxgeno est unido covalentemente a dos tomo de hidrgeno y por uniones puente hidrgeno a otros

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Qumica I


dos tomos de hidrgeno. El resultado es una estructura reticular con mucho espacio interno. En estado lquido las molculas se distribuyen en parte en dicho espacio. Es el motivo por el cual el volumen de una determinada masa de agua es mayor en estado slido que en estado lquido (ambas a igual temperatura). Como consecuencia de lo dicho podemos explicar por qu el agua se expande al congelarse y por qu el hielo flota en el agua lquida. En la mayora de los casos un lquido contrae al congelarse aumentando la densidad y haciendo entonces que el slido se hunda en el lquido. El hecho de que el hielo flote en el agua lquida hace que se mantenga en la superficie de los espejos de agua (lagos, lagunas) actuando como aislante y permitiendo mantener la vida en el agua lquida del fondo.

Los enlaces puente hidrgeno pueden formarse no slo entre tomos de diferentes molculas, sino tambin en forma intramolecular. Las grandes molculas de los sistemas vivientes (ADN, protenas) mantienen la estructura que necesitan para cumplir con su funcin biolgica mediante enlaces hidrgenos. Los ejemplos mencionados, agua y macromolculas biolgicas, son suficientes para demostrar la importancia de estas fuerzas.

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Qumica I


UNIDAD 4 : REACCIONES QUMICASLas reacciones qumicas son transformaciones o cambios que experimentan las sustancias (llamadas reactivos) de las cuales resultan sustancias nuevas (llamadas productos). La oxidacin del hierro , la fotosntesis, la fermentacin de desechos orgnicos, son algunos ejemplos de reacciones qumicas que suceden a diario en nuestro ambiente. Al producirse stas reacciones y formar los productos se sufren cambios en las propiedades de los reactivos en forma definitiva y permanente. Estos cambios, generalmente, son producidos por: calor, luz, corriente elctrica o simplemente por el contacto entre las diferentes sustancias. En toda reaccin qumica los tomos que constituyen las molculas se reagrupan formando nuevas molculas. As por ejemplo: en el caso de la combustin del carbono: C(s) + O2 (g) CO2 (g) PRODUCTO

REACTIVOS

Esto se lee: una molcula de Carbono reacciona con una molcula de Oxgeno dando una molcula de Dixido de carbono. As se representa simblicamente las ecuaciones qumicas, en ellas vemos dos miembros separados por una flecha que indica el sentido de la reaccin. Veamos otro ejemplo: H2(g) + Cl2(g) HCl (g)

Esto se lee: una molcula de Hidrgeno reacciona con una molcula de cloro dando una molcula de cloruro de hidrgeno. Ahora bien, es correcta la ecuacin , esta completa? Segn la ley de conservacin de masas que expresa: la masa de un sistema

se mantiene constante independientemente de los cambios fsicos y qumicos que en l ocurren. No es correcta ya que el nmero de tomos ala izquierda (reactivos) no es igual a la derecha (productos) para cada elemento. Adems recordemos que durante una reaccin qumica los tomos no se pueden crear ni destruir, por lo que la ecuacin debe representarse de la siguiente manera: H2(g) + Cl2(g)

2 HCl (g)

Esto se lee correctamente : un mol de molcula de hidrgeno reacciona con un mol de molcula de cloro para dar dos moles de molcula de cloruro de hidrgeno.

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Qumica I


Antes de avanzar Qu es un mol? 23 Un mol es la cantidad de sustancia que contiene 6,02x10 partculas elementales (tomos, molculas, iones, electrones, etc.). Este nmero se denomina nmero de Avogadro y fue obtenido experimentalmente.

Para que usamos sta unidad? Supongamos que se le pide pesar una determinada cantidad de sustancia para esta reaccione con otra. En la prctica es imposible medirlo, por ejemplo saber que cantidad de molculas hay en una gota de agua, aproximadamente hallamos 1.672.790.278.000.000.000.000 molculas de agua por lo que necesito una unidad que me describa en forma sencilla esta cantidad, sta unidad es el mol.La masa de un mol se expresa en gramos / mol. Continuando con el tema de reacciones qumicas analicemos la siguiente ecuacin correspondiente a la fotosntesis:

6 CO2(g)

+

6 H2O (l)

C6H12O6(s)

+

3 O2(g)

Observen : a- Las sustancias que reaccionan se escriben con sus frmulas qumicas. b- Delante de cada frmula hay un nmero, ste se denomina coeficiente estequiomtrico, con el cual logramos cumplir la ley de conservacin de masa. Si no hay ningn nmero se asume que es 1. Otro ejemplo: Cl2 (g) +

2Ag(s)

2Cl Ag(s)

: indica sustancia precipitada.

: indica desprendimiento de gas. (s), (l), (g) : indican estado de agregacin slido, lquido, o gas segn corresponda.

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Qumica I


CLASIFICACIN DE REACCIONES QUMICAS.

1. REACCIONES DE COMBINACINSe llaman as a las reacciones en que dos o ms sustancias se combinan para formar un compuesto. La combinacin puede ser de : a- Dos elementos para formar un compuesto.

Un metal + un no metal( grupo IA) ( grupo VII A) + Cl2 (g)

compuesto inico binario

2 Na (s)

2 ClNa (s)

un metal del grupo IIA tambin cumple con esa reaccin, por ejemplo Mg (s) + F2 (g) F2 Mg (s)

no metal + no metal

compuesto binario covalente

P4 (s) +

6 Cl2

4 PCl3 (l)

b- De un elemento y un compuesto para formar un nuevo compuesto.

El P (fsforo) en estado de oxidacin +3 en las molculas de PCl3 (cloruro fosforoso) puede convertirse al estado +5 en el PCl5 ( cloruro fosfrico) al combinarse con Cl2. PCl3 (l) + Cl2 (g) PCl5 (s)

c- Dos compuestos para formar un nuevo compuesto.

CaO(s)

+

CO2

(g)

Ca(CO3) (s)

El xido de calcio al reaccionar con dixido de carbono, generarn el carbonato de calcio.

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Qumica I


2. REACCIONES DE DESCOMPOSICION

En stas reacciones un compuesto se descompone para producir : a- dos elementos

2

H2O (l)

2 H2 (g)

+

O2(g)

b- elemento ms compuesto

KClO3 (s) c- dos o ms compuestos CaCO3 (s)

2 KCl(s)

+ O2(g)

CaO (s) +

CO2(g)

3- REACCIONES DE DESPLAZAMIENTOLas reacciones de desplazamiento son aquellas en donde un elemento desplaza en un compuesto a otro. Los metales activos desplazan a los metales menos activos o al hidrogeno de sus compuestos en solucin acuosa.

2 AgNO3 (l)

+ Cu(s)

2 Ag (s)

+

Cu (NO3)2 (acuoso)

Muchos no metales desplazan a otros no metales de su compuesto con algn metal o algn catin. Cada halgeno desplaza a los halgenos menos electronegativos (ms pesados) de sus sales binarias. Por el contrario un halgeno no puede desplazar a miembros mas electronegativos de sus sales:

Br2 + 2 INa Cl2 + 2 BrNa I2 + FNa

2 BrNa 2 ClNa

+ I2 + Br2

no reacciona.

4- REACCIONES DE SUSTITUCIN O DOBLE DESPLAZAMIENTOSon aquellas en las cuales dos compuestos reaccionan para formar otros dos compuestos sin que se produzcan cambios en el numero de oxidacin.

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Qumica I


Entre los tipos mas comunes de reacciones de este grupo se encuentran las reacciones de precipitacin. En estas se forman un slido o precipitado y se separa de la solucin.

Ag(NO3)

+

NaCl

AgCl

+ Na (NO3)

La reaccin entre un cido con un hidrxido en la que se produce una sal y agua es otro ejemplo. Se llaman reacciones de neutralizacin. ClH + NaOH NaCl + H2O

5- REACCIONES DE OXIDO REDUCCION O REDOXAntes de desarrollar este tema debemos repasar algunos conceptos. Oxidacin: incremento algebraico del numero de oxidacin, tambin proceso en el cual se pierden electrones Reduccin : disminucin algebraica del numero de oxidacin, tambin proceso en el cual se ganan electrones Agentes oxidantes: sustancias que experimentan disminucin del numero de oxidacin ( ganan electrones) y oxidan a otras sustancias. Los agentes oxidantes siempre se reducen. Agentes reductores: sustancias que experimentan aumento del numero de oxidacin (pierden electrones) y reducen a otras sustancias. Los agentes reductores siempre se oxidan.

Las reacciones en las cuales las sustancias experimentan cambios del nmero de oxidacin se conocen con el nombre de reaccin de xido reduccin o simplemente redox. Las reacciones de desplazamiento siempre son reacciones redox. Las reacciones de combinacin y descomposicin en la que participan elementos libres como reactivos o productos son siempre reacciones redox. Las reacciones de sustitucin NUNCA son redox.

Cuando un elemento se oxida (pierde electrones) hay otro que se reducen (gana electrones) dado que la cantidad de electrones que se cede y acepta son iguales. Ej: H2(g) + F (g)

2 HF (g)

En sta ecuacin quin es el agente oxidante? Y quin el agente reductor? El hidrogeno que pierde un electrn en el compuesto formado es quin se oxida y por lo tanto es el agente reductor.

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Qumica I


El flor es quien gana el electrn en el compuesto por lo que se reduce y es el agente oxidante.

SnCl2+2

+

2 FeCl3 (ac)+3

SnCl4+4

+ 2 FeCl2 (ac)+2

El estao se oxida por que perdi dos electrones (de +2 a +4) y el hierro se reduce porque gan dos electrones (de +3 a +2).

3 NO2 (g)+4

+ H2O (l)

2 HNO3 (l)+5

+ NO(g) +2

En este ejemplo el nitrgeno se oxida y tambin se reduce. El trmino oxidacin originalmente se refera a la combinacin de una sustancia con el oxgeno. El trmino reduccin se empleaba para describir la eliminacin de oxigeno en un compuesto. En la actualidad los trminos oxidacin y reduccin tienen aplicacin mucho mas amplia.

CINTICA QUMICALa cintica qumica estudia la velocidad con que se producen los cambios qumicos, los factores que la modifican y los mecanismos de dichas reacciones qumicas. Existen reacciones que son tan rpidas que parecen ocurrir espontneamente, como por ejemplo: AgNO3 + NaCl NaNO3 + AgCl

Pues si mezclamos ambos reactivos en solucin acuosa aparecen de inmediato un precipitado blanco de cloruro de plata. En cambio otras se dan con tal lentitud que no se observan a simple vista. La escala de tiempo en que ocurren las reacciones qumicas es muy amplia, desde fracciones de segundos a aos. En la prctica, el clculo de la cintica sirve para reconocer el periodo de vencimiento de un medicamento, de un alimento; determinar condiciones de conservacin para disminuir la velocidad en la que se alteran los productos, etc.

TEORA SOBRE LA VELOCIDAD DE UNA REACCIN: Teora de las colisiones o choques Segn sta teora: La reaccin se verifica como resultado de colisiones entre las sustancias reaccionantes. La velocidad de la reaccin es directamente proporcional al nmero de colisiones que ocurren en un volumen de la mezcla reaccionante por segundo. Dicho

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Qumica I


de otra manera: mientras ms choques se verifiquen entre reactivos mayor es la velocidad para obtener el producto. Cuando los reactivos chocan originan transferencia de energa que rompe los enlaces del reactivo y forman las nuevas uniones del producto . Pero siempre que los reactivos se unan existe una reaccin? No. Se necesita una mnima energa para que se produzca la reaccin. Esta energa se denomina energa de activacin. Ea. Por ultimo el reactivo se transforma directamente en producto? No. En realidad se pasa por un compuesto intermedio denominado complejo activado, ste no es ni reactivo ni producto, es una nueva especie muy reactiva (por lo tanto inestable) que dura muy poco tiempo. Grficamente, haciendo el perfil de reaccin.

Eo Eo

Energa de reactivos

Ea Ea Energa de productos

Camino de reaccin

tiempo

Camino de reaccin Grfico A

tiempo

Como vemos la energa de los reactivos puede ser mayor o menor que la energa del producto. Aqu vamos a introducir un nuevo concepto: entalpa . Qu es la entalpa? Se define como el contenido de calor. Frecuentemente se trabaja este concepto como la variacin de energa de una reaccin y se lo expresa con unidades de energa como por ejemplo Kilocaloras. Cmo calcula la variacin de energa, o sea la entalpa, en una reaccin?

H =

E de los productos - E de los reactivos

El valor puede ser positivo o negativo. Por qu es importante saber el valor de la variacin de energa? Porque as podemos clasificar las reacciones en dos grandes grupos: exotrmicas y endotrmicas.

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Qumica I


Exotrmicas: son aquellas reacciones en donde se libera calor al medio por lo que la energa del producto es menor al reactivo (grfico A). Segn la frmula anterior el valor de la variacin de entalpa es negativo. Endotrmicas: es cuando la reaccin necesita de energa (calor) del medio para poder llevarse acabo. Aqu la entalpa es positiva.

FACTORES QUE MODIFICAN LA VELOCIDAD DE LA REACCION QUMICA 1- NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS REACCIONANTES.En todas las reacciones qumicas se rompen y forman enlaces y la velocidad con que esto sucede depende de la naturaleza de los enlaces presentes en las sustancias reaccionantes. Las reacciones entre los iones en solucin sin que cambie el estado de oxidacin son generalmente muy rpidas. Por ejemplo: la neutralizacin de un cido con una base se realiza en el tiempo que tardan en mezclarse las soluciones o sea, segundos. Por el contrario en las reacciones inicas de oxidorreduccin son generalmente muy lentas ya que debe existir una transferencia de electrones al igual que en las reacciones con molculas o grupos covalentes.

2- CONCENTRACIN DE LOS REACTIVOS.Experimentalmente se ha comprobado que la velocidad de una reaccin qumica depende de la concentracin de los reactivos. El aumento en dicha concentracin generalmente provoca un aumento en la velocidad. La determinacin experimental sencillamente consiste en mantener invariables todas las condiciones de trabajo exceptuando la concentracin de un reactivo y midiendo la rapidez con la que desaparece algunos de los reactivos o se forma un producto. Si hacemos reaccionar bromo con hidrgeno se forma bromuro de hidrgeno de acuerdo con la siguiente reaccin: H2 (g) + Br2 (g)

2HBr (g)

En el recipiente donde se produce la reaccin se halla en cada instante de la misma hidrgeno, bromo y bromuro de hidrgeno. Segn la teora de los choques, la velocidad de formacin del bromuro de hidrgeno es proporcional al nmero de choques eficaces entre las molculas de bromo e hidrgeno. Si el recipiente contiene muy poca cantidad de molculas de hidrgeno y bromo la reaccin ser lenta porque la probabilidad de choques entre ellas es reducida. Pero si aumenta el nmero de molculas de una de las sustancias reaccionantes o de todas, la velocidad debe tambin aumentar porque mayor ser la probabilidad de los choques moleculares.

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Qumica I 3- CATALIZADORES.


Previo al inicio del tema definiremos dos conceptos importantes: Catlisis: es un fenmeno que transcurre cuando en la formacin del complejo activado, una sustancia que no toma parte estequiomtrica en la reaccin total, cambia las propiedades cinticas del sistema. Esa sustancia complementaria se denomina catalizador. Catalizador: es una sustancia que modifica la velocidad de una reaccin sin intervenir estequiomtricamente en la reaccin total.

Caractersticas de un catalizador: Permanece qumicamente inalterado al trmino del proceso qumico. Esto es porque el catalizador influye en la velocidad de la reaccin al formar un compuesto intermedio de baja energa de activacin. Generalmente se requieren pequeas cantidades pues no experimenta un cambio permanente. Clasificacin de los catalizadores: Positivos: son aquellos que aceleran la velocidad de las reacciones. Negativos: son aquellos que disminuyen la velocidad de las reacciones.

En un perfil de reaccin:Eo

tiempo

Reaccin sin catalizar Reaccin con catalizador positivo Reaccin con catalizador negativo

Tambin existen los denominados promotores que son sustancias que aumentan el poder cataltico pero que por s solos no catalizan una reaccin. Por ejemplo: las sales cpricas no catalizan la descomposicin del agua oxigenada, pero aumentan el efecto cataltico de las sales frricas.

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Qumica I


Por ltimo estn los venenos que son sustancias que reducen el poder cataltico. Por ejemplo el arsnico y sus compuestos son venenos del platino y paladio, catalizadores muy usados en la industria.

Autocatlisis: Es un tipo especial de catlisis, en donde el producto formado es el catalizador de la reaccin.Las catlisis se pueden clasificar en homogneas y heterogneas. Las homogneas son aquellas en donde el catalizador y los reactivos se hallan en el mismo estado de agregacin.NO3 (g)

2 SO2 (g)

+ O2 (g)

2SO3 (g)

En las heterogneas el catalizador y los reactivos estn en diferente estado de agregacin. Son la mayora de las reacciones industriales. Generalmente el catalizador es slido. Se lo denomina de contacto y acta por adsorcin debilitando los enlaces existentes entre los tomos de las molculas de los reactivos provocando ruptura y reordenamiento, con mayor facilidad, y necesitando menor cantidad de energa.Au (s)

2 N2O (g)

2 N2 (g)

+

O2 (g)

4- TEMPERATURASe ha comprobado, experimentalmente, que la velocidad de una reaccin qumica aumenta con la temperatura. En la mayora de los casos la velocidad se duplica o triplica por cada 10 C de aumento de la temperatura. Por qu ocurre esto?. Porque al aumentar la temperatura hace lo propio el nmero de choques y por lo tanto el nmero de colisiones eficaces que acelerarn la velocidad de la reaccin.

5- LUZLa luz aumenta la velocidad de ciertos tipos de reacciones. Podemos citar como ejemplo reacciones fotoqumicas como la fotosntesis que no se producen sin la intervencin de los rayos luminosos. La energa absorbida provoca un aumento del nmero de colisiones eficaces entre las molculas aumentando la velocidad de la reaccin.

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UNIDAD 5: COMPUESTOS QUMICOS INORGNICOS En carpeta UNIDAD 6: SOLUCIONES

El agua potable, el agua azucarada, la nafta, son sistemas homogneos constituidos por dos o ms sustancias miscibles entre s, que se denominan soluciones. El agua potable est constituida por agua, sales y gases; el agua azucarada por agua y azcar; la nafta por distintos hidrocarburos. Entonces estos sistemas son fraccionables. En las soluciones, la sustancia que se encuentra en mayor proporcin se llama solvente o disolvente, mientras que la otra u otras sustancias que se encuentran en menor proporcin se denominan solutos. As al disolver cinco gramos de cloruro de sodio en cien gramos de agua, se tiene un sistema homogneo fraccionable formado por dos sustancias, donde el cloruro de sodio es el soluto y el agua el disolvente. El estado de agregacin de una solucin corresponde al estado del solvente. As al disolver 10 g de azcar en 100 ml de agua, se obtiene una solucin lquida, es decir, que la solucin presenta el estado fsico del agua, que es el solvente. En consecuencia se puede establecer que:

Solucin es un sistema homogneo fraccionable compuesto por dos o ms sustancias miscibles entre s.

Las soluciones tienen gran importancia en diversos procesos. En los seres vivos, las sustancias nutritivas slo llegan disueltas hasta la intimidad de las clulas, donde sufren diferentes transformaciones. Luego, los productos de desecho son transportados, tambin disueltos, hasta los rganos de excrecin. Muchas sustancias no reaccionan entre s en estado slido, pero s lo hacen cuando estn disueltas en solventes apropiados. El disolvente por excelencia es el agua. La notable capacidad que tiene el agua para disolver sustancias hace que sea muy difcil encontrarla qumicamente pura en la Naturaleza. Se puede afirmar que cualquier hilo e agua, charco, laguna, lago o mar es una solucin acuosa de diversas sales. Puede disolver cidos, bases, sales, azcares, alcoholes, amonaco, jabones, dixido de carbono, etc. Si bien no disuelve a todas la sustancias se la denomina solvente universal . Otros disolventes de uso frecuente son el alcohol, la nafta, la acetona, el sulfuro de carbono, el ter, el cloroformo, etc., especialmente para disolver aquellas sustancias que no son solubles en agua, como los aceites y las grasas.

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CLASIFICACIN DE SOLUCIONESDiluidas NO SATURADAS Concentradas SOLUCIONES SATURADAS

SOBRESATURADAS

La relacin entre las masas del soluto y del solvente permite establecer diferentes clases de soluciones:

a)

Cuando la masa del soluto es muy pequea con relacin a la masa de disolvente, se tiene una solucin diluida. Como ejemplo de esta clase de soluciones, se pueden sealar aquellas que contienen unos pocos gramos de cloruro de sodio en 100 ml de agua. En otros casos, la masa del soluto es elevada con respecto a la del solvente; entonces se denomina solucin concentrada. Un ejemplo lo constituye una solucin formada por 30 g de cloruro de sodio en 100 ml de agua. Las soluciones diluidas y concentradas son soluciones no saturadas. Si a una cierta temperatura, se disuelve el mximo posible de soluto en la cantidad de solvente de que se dispone, se obtiene una solucin saturada. As, en 100 ml de agua a 20 C se pueden disolver como mximo 36 g de cloruro de sodio. Si se agrega ms sal, sta no se solubiliza y forma un sedimento en el fondo del recipiente. La presencia de sedimento en una solucin asegura que est saturada, pues indica que el soluto ya no puede disolverse.

b)

c)

d)

En determinadas condiciones puede lograrse la disolucin de una cantidad mayor de soluto, que la correspondiente a la saturacin, en cuyo caso se llaman soluciones sobresaturadas. Esta clase de soluciones son muy inestables y generalmente se obtienen por enfriamiento lento de soluciones saturadas. Las soluciones saturadas de nitrato de potasio contienen, por cada 100 g de agua, 31,6 de sal a 20C y 85,9 g a 50C. Si a una solucin saturada de nitrato de potasio, a 50C, se la deja enfriar lentamente y en reposo hasta 20C, los 85,9g quedan disueltos. Esto significa que, a 20C hay disuelta una masa mayor de nitrato de potasio que lo que corresponde a esa temperatura. Es una solucin sobresaturada. Si a esta solucin se la agita con una varilla de vidrio o se le agregan algunos cristales de nitrato de potasio, el exceso de sal precipita y slo quedan disueltos 31,6g de esa sal, es decir, que se convierte en una solucin saturada. Esto indica que las soluciones sobresaturadas son inestables y fcilmente se transforman en soluciones saturadas. Esta clasificacin tiene utilidad prctica, pero es poco precisa, por lo cual, en ciertos casos, es necesario establecer relaciones cuantitativas, como se ver ms adelante.

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SOLUBILIDAD DE LAS SUSTANCIASLas expresiones: muy soluble, poco soluble, etc. Son tiles en algunas circunstancias, pero no en otras que requieren datos ms precisos. Con este propsito, la solubilidad de una sustancia se indica cuantitativamente estableciendo la mxima cantidad de soluto que se disuelve en una determinada masa de solvente, a una cierta temperatura.

En consecuencia se establece que:

La solubilidad de un soluto en un determinado solvente es igual a la concentracin de la solucin saturada, a una cierta temperatura.

Solubilidad de slidos en lquidos

La solubilidad de las sustancias slidas en otras depende, principalmente, de la naturaleza del soluto, de la naturaleza del solvente y de la temperatura. a) Naturaleza del soluto y del solvente: Existe una regla que establece: similar disuelve a similar. Esto significa que los compuestos qumicos que tienen estructuras semejantes se disuelven fcilmente entre s. As el agua, cuyas molculas son polares, resulta ser un buen disolvente de compuestos inicos, como las sales y sustancias polares como el azcar(sacarosa). Por el contrario, el agua no disuelve a compuestos de escasa o nula polaridad, |como las grasas, aceites, nafta, queroseno, etc. Por otra parte solventes no polares como el benceno disuelven solventes no polares como el queroseno y el gasoil. Temperatura: Es uno de los factores que ms influyen en la solubilidad de las sustancias. En general, la solubilidad de las sustancias aumenta con el incremento de la temperatura, aunque existen algunas excepciones, como el cloruro de sodio, que no modifica su solubilidad en agua con la variacin de la temperatura.

b)

Solubilidad de lquidos en lquidos

La solubilidad de un lquido A (soluto) en otro B (solvente) depende de:

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las atracciones de las molculas del lquido A entre s . las atracciones de las molculas del lquido B entre s. las atracciones de las molculas del lquido A con las del lquido B.Como consecuencia de estas interacciones moleculares resultan: los lquidos miscibles entre s en todas las proporciones, los lquidos parcialmente miscibles entre s y los lquidos no miscibles o inmiscibles. Tambin la temperatura influye en la disolucin de un lquido en otro. Generalmente, el incremento de la temperatura produce un aumento de la energa cintica de las molculas y espacios intermoleculares ms grandes, facilitando la difusin de los lquidos entre s, Entonces: La solubilidad de un lquido en otro lquido depende de la naturaleza del soluto y del disolvente y de la temperatura.

CONCENTRACIN DE LAS SOLUCIONESLas soluciones pueden estar constituidas por diferentes cantidades de soluto con relacin a una determinada masa de solvente o de solucin. As podemos tener disueltos 1,5,10,20, hasta 36 g de cloruro de sodio en 100 g de agua a 20 C. Esto se conoce como concentracin de la solucin y se puede definir del siguiente modo:

La concentracin de una solucin es la cantidad de soluto que est disuelto en una determinada masa o volumen de solvente o de solucin.

Cmo se expresa la concentracin de una solucin? Para expresar la concentracin de una solucin existen diferentes formas, siendo las ms comunes: Porcentaje de peso en peso (%p/p): Establece la relacin entre la masa de soluto por cada 100 gramos de solucin. As, se disuelven 5 g de cloruro de potasio en 95 g de agua, se obtiene una solucin de KCl en agua al 5% P/P. Las unidades en las que se expresa esta concentracin: g%g %p/p = masa de solvente (g) . 100 masa de solucin (g) Porcentaje de peso en volumen (%p/v): Indica la masa de soluto por cada 100 ml de solucin (volumen). Es muy usada en soluciones de slidos en lquidos. Por ejemplo, una solucin de azcar en agua al 8%P/V, es aquella que contiene 8g de azcar por cada 100 ml de solucin. Las unidades en las que se expresa esta concentracin: g%ml.

%p/v = masa de solvente (g) . 100 volumen de solucin (ml)

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Molaridad (M): Seala el nmero de moles de soluto contenidos en un litro de solucin. La masa de un mol, de cido sulfrico es de 98 g; luego si se disuelve esa masa de un cido con agua hasta completar 1000 ml de solucin, se obtiene una solucin uno molar (1M). Las unidades en las que se expresa esta concentracin: mol/L.

Normalidad (N): Establece el nmero de equivalentes gramos disueltos en un litro de solucin. As, una solucin 1N de hidrxido de sodio en agua es aquella que contiene 1 equivalente-gramo de hidrxido de sodio en un litro de solucin.

Clculo del Equivalente gramo Eq(g) El equivalente gramo es una unidad quimica que se calcula de diferente manera segn la especie quimica de la que se trate.

Equivalente-gramo de un hidrxido: es la masa, en gramos, que resulta dedividir la masa de un mol de molculas por el nmero de oxhidrilos que se liberan al ionizarse completamente. En el caso del Na(OH), el equivalente-gramo es: Eq-g Na(OH) = 40g = 40g por equivalente-gramo ( 40g/eq-g) 1

En el hidrxido de calcio: Eq-g Ca(OH)2 = 74g 2 = 37g por equivalente-gramo ( 37g/ eq-g)

Equivalente-gramo de un cido: Es la masa, en gramos, de cido que resulta dedividir la masa de un mol del cido por el nmeros de cationes H+ que se liberan al ionizarse completamente. En el cido ntrico: Eq-g H (NO3) = 63 g = 63 g por equivalente-gramo ( 63g/ eq-g) 1

- -

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Qumica IEn el cido sulfrico:


Eq-g H2 (SO4) = 98 g = 49 g por equivalente-gramo ( 49g/ eq-g) 2

Equivalente-gramo de una sal: Es la masa de sal que resulta de dividir la masa,en gramos, de un mol por el nmero de cargas positivas que aporta el metal a dicha sal. Por ejemplo: la masa de un mol de sulfato de calcio (CaSO4) es de 136g y el nmero de cargas positivas es de dos (Ca +2), luego: Eq-g Ca (SO4) = 136 g 2 = 68 g por equivalente-gramo ( 68g/ eq-g)

En el caso del Na2SO4, la masa de un mol es de 142 g y el nmero de cargas positivas es tambin de dos ( 2 Na +1 ), entonces:

Eq-g (Na2SO4) = 142 g 2

= 71 g por equivalente-gramo ( 71g/ eq-g)

PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS SOLUCIONESAnteriormente hemos estudiado algunas propiedades fsicas de agua, como las caractersticas trmicas, densidad, etc. Es lgico suponer que la presencias de molculas de soluto en el agua modifique stas caractersticas y haga que aquella presente propiedades especficas; as, si las molculas de soluto son conductoras de la electricidad, la disolucin lo ser tambin. Si la densidad del soluto es mayor a la del agua, la densidad de la solucin aumentar, etc. Pero a nuestros fines, las ms importantes son las propiedades coligativas: son las que dependen, exclusivamente, de la naturaleza del disolvente y el nmero de partculas del soluto, sin que tenga ninguna influencia el tamao de las partculas, ni otras caractersticas de las partculas del soluto. De stas propiedades coligativas se destacan cuatro que desarrollaremos a continuacin:

a)

Descenso de la presin de vapor

Las partculas de los compuestos en disolucin se mueven continuamente, con un movimiento al azar en todas las direcciones posibles. Si tenemos un recipiente lleno de agua, algunas de las partculas que estn en la parte superior, en contacto con el aire, tendern a dirigirse hacia l, con lo que pasaran del estado lquido al vapor. Esto es impedido por las partculas que se sitan en las capas inferiores y que las atraen hacia el interior del recipiente, establecindose un equilibrio entre la energa que poseen las partculas superiores, que les sirve para abandonar el recipiente, y de la atraccin ejercida por el resto de las partculas. Pero si en la superficie existen algunas partculas ms rpidas, poseern la suficiente energa

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para vencer la fuerza de atraccin ejercida por las otras, con lo que conseguirn pasar al estado de vapor. Si el recipiente en el cual se encuentra el lquido es cerrado, las partculas liberadas ejercern presin sobre el lquido, que es lo que se denomina Presin de vapor del solvente. Cada lquido en estado puro y en condiciones determinadas de presin y temperatura, posee un valor caracterstico de su presin de vapor. El aumento de la temperatura de un lquido, aumenta la energa cintica de sus molculas, y por tanto aumentar tambin el nmero de las partculas rpidas, que son capaces de pasar a la fase gaseosa; en consecuencia, se elevar la presin de vapor del lquido. El valor de la presin de vapor disminuye cuando al lquido se le aade un soluto por dos causas: 1. La presencia de partculas de soluto desplaza algunas molculas de solvente. 2. Adems, estas molculas de soluto van a ejercer una mayor atraccin sobre las molculas de disolvente, con lo cual la posibilidad de abandonar el recipiente va a ser menor. El efecto de la existencia de un soluto sobre el valor de la presin de vapor del disolvente queda establecido:

El descenso relativo de la presin de vapor de un disolvente es directamente proporcional a la concentracin del soluto

b)

Aumento del punto de ebullicin

La ebullicin es un proceso por el cual un lquido pasa al estado de vapor. Esto sucede cuando la presin de vapor del lquido es igual a la presin atmosfrica. Esto quiere decir que cualquier sustancia que disminuya su presin de vapor aumentar la temperatura de ebullicin. As, el agua pura hierve a 100 C a presin normal (760 mmHg), pero si se disuelve un mol de azcar en un litro de agua, disminuye su presin de vapor y el punto de ebullicin aumenta a 100,52C. Este fenmeno se llama ascenso ebulloscpico. Entonces se ha establecido que:

El aumento de la temperatura de ebullicin de una solucin es proporcional al nmero de moles de partculas (molculas o iones) de soluto disueltos

- -

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Qumica I c)


Descenso del punto de congelacin

Al igual que en el caso anterior, todos los lquidos tienen un punto de congelacin (paso de lquido a slido) caracterstico a una determinada presin. Cuando a un disolvente puro se le aade un soluto, el punto de congelacin desciende. Ejemplos muy comunes de stos son que el agua de mar (agua salada) se solidifica a menor temperatura que el agua pura; o que el agua de los radiadores de los coches se les aade diversas sustancias para evitar la congelacin a 0C. La base del descenso del punto de congelacin se encuentra, al igual que en el caso anterior, en el descenso del valor de la presin de vapor de las soluciones. La congelacin de un lquido sucede cuando la presin de vapor del lquido coincide con la presin de vapor del slido. Por lo tanto, al disminuir la presin de vapor del lquido, ha de disminuir la temperatura de congelacin.

d)

Presin osmticaConsideremos un recipiente que contiene una disolucin con una membrana semipermeable que separe dos zonas de dicha disolucin con distinta concentracin de solutos. Aunque esto suceda, la tendencia fsica a igualar las concentraciones a ambos lados de la membrana va a continuar, pero como las molculas de soluto no pueden traspasar la membrana desde el lugar en donde est ms concentrado hacia donde lo est menos, se va a producir el fenmeno denominado smosis, podemos definir como la difusin del solvente, debido a la existencia de un gradiente de concentracin, para el soluto, y a imposibilidad de que sus molculas puedan atravesar dicha membrana por alguna causa. En los procesos de smosis, el solvente pasa de la solucin ms diluida a la ms concentrada, conservando la tendencia a igualar concentraciones de las distintas zonas del recipiente entre las que se produce el movimiento del solvente, pero utilizndose en este proceso un mecanismo distinto al de la difusin. En la smosis, las molculas de disolvente pasan hacia la zona de mayor concentracin de soluto para diluirla, mientras que, en el caso de la difusin, las molculas de soluto actan justamente en sentido contrario. Para aclarar esto, veamos el ejemplo de la figura 2. Tenemos un recipiente con una disolucin acuosa y en l existe una membrana semipermeable que separa dos zonas del mismo volumen, que tienen distinta concentracin de soluto, siendo mayor en la zona 1 que en la 2. Debido al gradiente de concentracin existente para el soluto, ste tiende a pasar desde 1 hacia 2 para igualar las concentraciones, pero la membrana impide que sus partculas puedan pasar de una zona a la otra. 1 2 1 2

Figura 2 Ya hemos mencionado que las partculas de disolvente tambin se estn moviendo y que ellas no tienen dificultad para atravesar la membrana. Adems,

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para el agua tambin existe un gradiente de concentracin, puesto que, al ser el volumen de las partes del recipiente igual y haber en la zona 1 ms partculas de soluto que en la 2, lgicamente con el disolvente suceder lo contrario: en la zona 1 habr menos que en la 2. Como consecuencia de esto se va a producir un paso de agua desde la zona 2 a la 1, como resultado del cual la disolucin de 1 se diluir y la 2 se concentrar ms, hasta que ambas se igualen. La velocidad del transporte de agua en la smosis es mayor que la que se dara con la simple difusin, debido a la existencia del fenmeno conocido como flujo masivo de agua, que consiste en que, a consecuencia del gran nmero de molculas de agua que atraviesan la membrana en un sentido determinado, se establece un sentido preferencial de movimiento de sus molculas, desapareciendo en parte el movimiento aleatorio caracterstico de las partculas de los lquidos. Debido al paso de disolvente de un compartimiento a otro, aumenta el volumen de la disolucin que lo recibe y disminuye el volumen de la disolucin de la que sale. Esto llega a su extremo cuando en una zona del recipiente existe agua pura, y en la otra, una disolucin. Como consecuencia del flujo de agua se producen los efectos osmtico representados en la figura 3.

1

2

1

2

Ph Figura 3

Ph: : Entonces:

presin hidrosttica presin osmtica

1. Aumenta el volumen de la zona 1 y disminuye el de la zona 2. 2. Las molculas de agua que atraviesan la membrana ejercen una presin hidrosttica sobre ella. Como consecuencia de esta presin llegar un momento en que comenzar a pasar agua desde 1 hacia 2 con la misma intensidad que la que pasa de 2 a 1 debido al gradiente de concentracin. Es decir, se produce un equilibrio entre la presin hidrosttica y el gradiente de concentracin. A este valor de la presin hidrosttica corresponde lo que denominamos presin osmtica, que definimos de la siguiente forma:

Presin osmtica: Presin que debe ejercerse sobre una solucin para mantenerla en equilibrio con el disolvente puro y evitar que ste pase hacia la disolucin cuando ambos estn separados por una membrana semipermeable

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Este concepto tiene una importancia enorme para los seres vivos, ya que deben mantener constantemente un equilibrio entre el medio interno y el exterior. Si tenemos una disolucin con una presin osmtica de un valor determinado, en comparacin con ella, existirn soluciones:

Isotnicas:

Tienen el mismo valor de presin osmtica que la solucin dada, porque la concentracin de solutos no difusibles es idntica en ambas. Tienen menor valor de presin osmtica porque su concentracin de solutos no difusibles es menor que en la solucin dada. Su valor de presin osmtica es mayor que en la primera solucin citada antes, ya que su concentracin de solutos no difusibles es mayor que en ella.

Hipotnicas:

Hipertnicas:

El medio externo de todas las clulas ha de ser isotnico con el suyo propio, pues, en caso contrario, las clulas pueden sufrir graves alteraciones. Por ejemplo, consideremos los hemates (glbulos rojos) de la sangre en distintas concentraciones. 1. Hemates en un medio hipotnico: ( por ejemplo, agua destilada). Entra agua hacia el interior de la clula. Su volumen aumenta hasta llegar a romperse la membrana celular. Este hecho se denomina hemlisis. 2. Hemates en un medio isotnico: (por ejemplo, plasma sanguneo). Conservan todas sus caractersticas normales. 3. Hemates en un medio hipertnico: (por ejemplo agua salada). Sale agua de la clula de modo que sta se arruga. Este fenmeno se denomina plasmlisis.

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UNIDAD 7: pH y Soluciones BuffersConceptos de cido y de base: teora de ArrheniusLa primera aproximacin a los conceptos de cido y de base est asociada a la experiencia. Todos conocemos el sabor agrio del limn o del vinagre, o hemos probado, de manera accidental, una solucin jabonosa. Estos sabores caractersticos son debidos a la presencia de determinadas sustancias que desde hace tiempo, se conocen como cidos o bases. Adems del sabor, estas sustancias son capaces de cambiar el color de los indicadores y, en soluciones concentradas son corrosivas. Adems, es conocido el hecho de que, cuando un cido y una base reaccionan en las proporciones adecuadas, ambas sustancias pierden sus propiedades y se neutralizan. Como consecuencia del proceso de neutralizacin se puede hallar otra sustancia de propiedades diferentes de las del cido y de la base que la originan, que se denomina sal. Sin embargo, estas caractersticas de cidos y de bases no son suficientes para explicar de manera rigurosa los conceptos de cido y de base. Es necesario disponer de ideas ms generales y menos subjetivas a las que vincular el comportamiento de cidos y bases. En 1887, el qumico sueco Svante Arrhenius public su teora de la disociacin inica, en la que la conductividad elctrica de soluciones acuosas cidos, bases y sales (electrolitos) se justifica por la existencia de iones positivos y negativos en las soluciones. Arrhenius asoci el carcter cido a la presencia de iones hidrgeno (H+), y el carcter bsico, a la existencia de iones (OH-), en solucin acuosa. Segn la teora de Arrhenius:

Los cidos son sustancias que en solucin acuosa se disocian para liberar iones hidrgeno (H+)

Por ejemplo, cuando se disuelve cido clorhdrico (HCl) en agua, forma iones hidrgeno como consecuencia de su disociacin: H2O +1

HCl

H

+

Cl-

En general un cido (representado como HA), al disolverse en agua se disocia segn la ecuacin: H2O +1

HA

H

+

A-

En esta teora:

Las bases son sustancias que en solucin acuosa se disocian para liberar iones oxhidrilos (OH-)

- -

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Por ejemplo, la solucin de hidrxido de calcio contiene iones oxhidrilos procedentes de su disociacin segn la ecuacin:

Ca(OH)2

Ca +2 + 2 (OH)

_

En general una base (representada como BOH), al disolverse en agua se disocia:

B(OH)

B+

_

+ (OH)

La neutralizacin es la reaccin que ocurre entre los iones hidrgeno de un cido y los iones hidrxido de una base para dar agua, con la consiguiente formacin de una sal. Arrhenius consider las disociaciones como procesos reversibles, en los cuales se establece un equilibrio dinmico entre los iones y la especie no disociada. El grado de disociacin depende de la concentracin de la solucin; cuanto ms diluida, la distancia entre los iones es mayor por lo cual el compuesto se encuentra ms disociado. La teora de Arrhenius presenta algunas limitaciones. En primer lugar condiciona el comportamiento cido o bsico de las sustancias a la presencia de agua como solvente. Por otra parte, hoy sabemos que los iones hidrgeno no existen aislados sino que en solucin acuosa se presentan como iones hidronio (H3O). Adems, no se pueden explicar algunos casos como el del amonaco (NH3), que + posee propiedades bsicas a pesar de no tener grupos oxhidrilos; o el del dixido de carbono (CO2), que tiene un carcter cido en solucin aunque se estructura no posee iones hidrgeno. Fue necesario ampliar los conceptos de cido y base para dar respuesta a estas excepciones de la teora de Arrhenius.

Teora de Brnsted - LowryEn 1923, en forma simultnea pero separado, el cientfico dans Johannes Brnsted y el ingls Arthur Lowry publicaron su teora sobre la naturaleza de cidos y bases, segn la cual :

Un cido es toda sustancia capaz de ceder un protn (H+) y una base, aquella capaz de aceptar un protn.

En otras palabras, la tendencia de transferir protones caracteriza a los cidos, mientras que la tendencia a aceptarlos identifica a las bases. Qu ocurre, por ejemplo, cuando el cloruro de hidrgeno (HCl g) se disuelve en agua? Segn esta teora, el cloruro de hidrgeno, al disolverse en agua, acta como cido (cido clorhdrico), cediendo un protn al agua y, al mismo tiempo, el agua se comporta como base, aceptando el protn. Esta reaccin se representa de la siguiente manera:

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HCl (g)

+ H2O (l)

H3O (ac) +

+

_

Cl

(ac)

En trminos generales, cuando una sustancia pierde un prot

cuadernillo quimica i isa

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