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MDULO DE QUMICA GENERAL

UNIDAD 1

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ESTRUCTURA DE LA MATERIA

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INTRODUCCINEste mdulo de qumica general pretende presentar de una manera concreta los conceptos que a consideracin del autor son necesarios para el desarrollo del respectivo curso acadmico en los programas de las facultades de ciencias bsicas e ingeniera y de la facultad de ciencias agrarias. Aunque el objetivo de la qumica es extremadamente amplio, con el mdulo buscamos aprender y comprender los principios generales que rigen el comportamiento de la materia. Por eso se hace necesario entender la relacin que existe entre la estructura de la materia y sus propiedades, y los cambios energticos que acompaan las transformaciones los compuestos qumicos. El mdulo esta distribuido en tres unidades:

La primera hace referencia a la estructura de la materia a partir de los tomos y

compuestos; a las propiedades de los diferentes estados de la materia, haciendo nfasis en el estado gaseoso.

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En la segunda unidad se estudia las diferentes dispersiones, especialmente a las soluciones verdaderas. Se muestra adems las propiedades de los coloides y de las suspensiones. La tercera unidad abarca los cambios qumicos y los clculos estequiomtricos de las cantidades de reactantes y productos involucrados en una reaccin qumica. Por ltimo se espera que con el estudio del curso acadmico de qumica general se proporcionen las bases para el desarrollo de futuros aprendizajes.

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1. ELEMENTOS QUMICOS 1.1.1 ESTRUCTURA DE LOS TOMOS La idea principal de una de las teoras ms antiguas de la historia de las ciencias, consiste en que toda sustancia se puede dividir solo hasta que se obtengan las partculas ms pequeas posibles. Esta idea fue propuesta por el filsofo griego Demcrito (460 A.C370 A.C), quien llam a las partculas tomos (del griego ), es decir sin divisin. Los postulados de Demcrito no recibieron reconocimiento, sino hasta el siglo 18, cuando los qumicos comenzaron a explicar los resultados experimentales de sus trabajos utilizando el concepto de tomo.

El ingls John Dalton (1766- 1844) formul en el ao 1808 la teora atmica. Los principales postulados de esta teora son:

Todas las sustancias (materia) estn compuestas de tomos, partculas indivisibles que no pueden ser creadas ni destruidas. Los tomos de un mismo elemento son totalmente idnticos, es decir, poseen la misma masa, carga. Los tomos de los diferentes elementos tienen masas diferentes. Los tomos permanecen sin divisin, an cuando se combinen en las reacciones qumicas. Cuando se combinan los tomos para formar compuestos, estos guardan relaciones simples. Los tomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar ms de un compuesto. Los tomos de dos o ms elementos distintos se unen para formar compuestos qumicos.

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En el siglo 19 la teora de Dalton fue aceptada por la comunidad cientfica, lo que aviv el inters en el estudio de la estructura atmica. Fue as como se logr el descubrimiento de partculas subatmicas, que permiti que diversos cientficos () propusieran modelos atmicos que pretendan de explicar el comportamiento de la materia. Todos estos descubrimientos llevaron al declive de la teora atmica de Dalton1 PROPIEDADES DE LAS PARTCULAS SUBATMICAS Los elementos qumicos estn constituidos por una sola clase de tomos. Ejemplo, hierro, cobre, sodio y otros. Estos elementos se representan mediante smbolos derivados de su nombre latino. ElementoAntimonio Azufre Cobre

Escandio Estao Hierro Fsforo

MATERIAL EN REVISINNombre latinoStibium Sulphur

SmboloSb S

ElementoMercurio Oro Plata

Nombre latinoHydrargyrum Aurum Argentum Plumbum Kalium Natrium Thorium

SmboloHg Au Ag Pb K

Cuprum

Cu Sc P Fe Sn

Scandium Stanumm Ferrum

Plomo Sodio Torio

Potasio

Phosphorus

Na Th

Los tomos de los elementos qumicos estn compuestos por muchas partculas subatmicas, como: protones, neutrones, electrones, entre otras. En este curso, la atencin se centra en las tres partculas mencionadas anteriormente.

El desarrollo histrico de los modelos atmicos lo puede consultar en las respectivas fuentes documentales citadas en la gua didctica.

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Caractersticas de las partculas subatmicasPartculas Electrn Protn Neutrn Smbolo ep n Carga elctrica relativa Negativa (-1) Positiva (+1) No posee (0) Masa 9.110 x 10-31 Kg. 1,673 . 10-27 kg. 1,673. 10-27 Kg.

El nmero atmico (Z) de un tomo de elemento qumico es igual al nmero de protones de su ncleo. En un tomo neutro el nmero de protones es igual al nmero de electrones. El nmero msico (A) ( masa atmica) de un tomo es la suma de la cantidad de protones y neutrones en su ncleo. ste nmero depende de los istopos del elemento en la naturaleza.

A (nmero msico) = Z (cantidad de protones)+ N (cantidad de neutrones). Los tomos de un mismo elemento que tienen diferentes nmeros msico se llaman istopos.

Se representa al tomo con el smbolo del elemento que le corresponde; a la izquierda y arriba del smbolo se escribe el nmero msico (A) y a la izquierda y abajo se coloca el nmero atmico (Z).A Z

MATERIAL EN REVISINX

12 6

c

Significa que el tomo de carbono tiene 6 protones y 12- 6 = 6 neutrones. El nmero de protones en el ncleo (Z) es invariable, es por esto que cuando un tomo pierde o gana electrones que tienen carga negativa, queda cargado positivo o negativo, convirtindose en un in.

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Si el in tiene carga positiva se llama catin. En caso de que tenga carga negativa se llama anin. Son cationes H+, Al3+, Ca2+ entre otros. Son aniones Cl-, NO3- , S2- entre otros.

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AUTOEVALUACIN 1. Complete el siguiente cuadro.Smbolo del elemento Nmero atmico 9 Nmero msico 47 55 Nmero de protones 14 25 Nmero de neutrones 10 15 25 Nmero de electrones

2. Determine el nmero de protones, neutrones, y electrones en los siguientes a.

6 7 3 Li 3 Li

3. Determine el nmero de protones, neutrones, y electrones en los siguientes iones. a. b.

56 +3 26 Fe

MATERIAL EN REVISINb. C.40 20 Ca 44 20 Ca 78 34 Se 80 34 Se127 53 I-

pares de istopos.

4. Por qu un tomo es elctricamente neutro? 5. Por qu puede haber ms de 1000 tomos, si solamente existen cerca de 100 elementos?

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1.1.2 CONFIGURACION ELECTRONICA De acuerdo a la teora ondulatoria de la luz, los fenmenos de interferencia y difraccin de la luz se pueden comprender si se conocen las leyes de propagacin de las ondas. Otras propiedades de la luz como el espectro de rayas de los elementos y el efecto fotoelctrico se explican a partir de la teora corpuscular de la luz. Esa dualidad de la naturaleza de la luz llev, en 1924, a Louis De Broglie a proponer que los electrones podran tener propiedades ondulatorias. Mucho antes Max Planck haba postulado que las ondas luminosas se componan de partculas. En un intento de unificar las dos posturas, De Broglie propuso que la longitud de onda para una partcula de masa m que se mueve con una velocidad , se determina con la siguiente ecuacin:

- propiedad del movimiento ondulatorio. h- constante, igual a 6.63 10-34 volvieron insatisfactorios.

- propiedad del movimiento de la partcula.

A partir de esta ecuacin, los modelos atmicos existentes en la poca se Una particularidad surgida de la teora propuesta por De Broglie, fue la imposibilidad de medir simultneamente la velocidad del electrn y su posicin. Este postulado, propuesto Hiensenberg, se denomina principio de incertidumbre. MODELO ACTUAL DEL TOMO El modelo actual del tomo, es el resumen de las conclusiones de los trabajos de: Heinsenberg, Schrdinger, De Broglie, Dirac entre otros. Durante la primera mitad del siglo 20 los trabajos de los fsicos tericos, Heisenberg, de Broglie, y Schrdinger ayudaron a desarrollar la teora de la

MATERIAL EN REVISIN=h/m

estructura atmica basada en la mecnica ondulatoria. Esta teora considera los

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electrones

como ondas cuya trayectoria alrededor del ncleo no es posible

conocer. Se postula entonces de "probabilidad" de encontrar el electrn alrededor del ncleo. Si bien no se puede conocer la trayectoria de los electrones, si se pueden determinar, mediante la ecuacin de Schrdinger, regiones espaciales donde es ms probable encontrarlos.

Los resultados de la mecnica ondulatoria cuntica llevaron a la conclusin

que los tratamientos matemticos de la mecnica clsica, que son adecuados submicroscpicos, como es el caso de los electrones. La resolucin matemtica de la ecuacin de Schrodinger conduce a la aparicin de tres nmeros cunticos:

para sistemas macroscpicos, no se cumplen al aplicarlos a sistemas

MATERIAL EN REVISINFigura 1. Regin de alta probabilidad para un electrn 1s. A mayor sombreado mayor probabilidad, b. Grfica de probabilidad contra distancia al ncleo.

El primero de ellos se denomina nmero cuntico principal, n, e indica la distancia ms probable del ncleo hasta el electrn. Es un nmero positivo que puede tomar valores de 1, 2, 3 etc. El nmero cuntico principal designa los principales niveles de energa de un orbital. El segundo es el nmero cuntico secundario momento angular l. Determina la forma de los orbitales, indica el subnivel y puede

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tomar valores desde 0 hasta n - 1. El nmero mximo de electrones en un subnivel est dado por 2(2l + 1). El tercer nmero cuntico, representado por ml, llamado nmero cuntico

magntico, describe la direccin en la que se proyecta el orbital en el espacio. Puede tomar valores as: -l, (-l + 1),. . ., (l-1). . . (+1). Por ejemplo para l = 0, m = 0, si l = 1, m puede tomar tres valores, m = -1, m = 0, m = +1. Si l = 2 m puede tomar cinco valores. m = -2, m = -1, m = 0, m = +1, m = +2.

Tabla .1 combinaciones permitidas de nmeros cunticos para n = 1hasta3

MATERIAL EN REVISINNo. cuntico principal n 1 No cuntico de momento angular; l (/) 0 0 1 2 0 3 1 2 No. cuntico de momento magntico ml (m) 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 Tipo de orbital 1s 2s 2px 2py 2pz 3s 3px 3 py 3pz 3d 3d 3d 3d 3d

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En la Fig. 2 a y b se ilustra la forma y orientacin de los orbitales.

Figura 2. a Forma y orientacin de los orbitales s y p.

MATERIAL EN REVISINFigura 2. b Forma y orientacin de los orbitales d.

En estudios posteriores sobre el paramagnetismo surgi la necesidad de introducir un nuevo nmero cuntico, el spin (ms), como necesidad para diferenciar dos electrones que se pueden encontrar en un mismo orbital s. De acuerdo con las soluciones de la ecuacin de Schrdinger, ms puede tomar dos nicos valores: +1/2 -1/2, segn el giro de electrn.

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PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI El Principio de exclusin de Pauli dice que no pueden existir dos electrones en un mismo tomo con los cuatro nmeros cunticos iguales. Este principio implica que no puede haber ms de dos electrones en cada orbital; y si existen dos electrones en el mismo orbital, deben tener al menos el nmero cuntico del spin diferente (es decir +1/2 y -1/2), es decir los spines de esos electrones son opuestos. DISTRIBUCIN DE LOS ELECTRONES EN LOS DIFERENTES ESTADOS DE ENERGA La energa de un electrn depende tanto del nivel como del subnivel en el cual se encuentra. El siguiente cuadro muestra la relacin de los nmeros cunticos con la estructura atmica.Nmero cuntico principal (nivel de energa, n) Nmero cuntico de momento angular (orbital, l) n subniveles Nmero cuntico de momento magntico, ml (nmero de orientaciones de los orbitales por subniveles) Nmero de orbitales por nivel de energa. (n2) Nmero de electrones por subnivel. Nmero de electrones por nivel de energa. (2 n2)

MATERIAL EN REVISINsS p

1 2 3

s p d s p d f

1 1 2 1 3 5 1 3 5 7

1 3 9

2 2 6 2 6 10 2 6 10 14

2 10 18

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La distribucin de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energa se muestran en las siguientes tablas:

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Tabla 2. Configuracin electrnica de los tomos de los elementosGrupo o nivel Subgrupo Nmero atmico y smbolo I H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba K 1s 2s L 2p 3s M 3p 3d 4s 4p N 4d 4f 5s 5p O 5d 5f 6s 6p P 6d 6f Q 7s

1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6 6

10 electrones

MATERIAL EN REVISIN2 2 2 2 6 6 18 electrones 2 2 2 2 6 6 2 2 6 6 1 2 3 5 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 6 1 2 1 2 4 5 5 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 36 electrones 1 2 2 2 1 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6 6

2 2

2 2

6 6

2 2

6 6

10 10

2 2

6 6

1 2 3 4 5 6 6 6

1 2

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Grupo o nivel Subgrupo Nmero atmico y smbolo 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 No 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt

K 1s 2s

L 2p 3s

M 3p 3d 4s 4p

N 4d 4f 5s 5p

O 5d 5f 6s 6p

P 6d 6f

Q 7s

46 electrones

MATERIAL EN REVISIN2 2 2 2 6 6 2 2 6 6 10 10 2 2 6 6 10 10 75 electrones 2 3 4 6 7 7 9 10 11 12 13 14 14 14 14 14 14 14 14 1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 1 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1 3 4 5 6 7 7 9 10 11 12 13 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

1 1

1

1 2 3 4 5 6 7 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6 7

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Con el propsito de facilitar la distribucin de los electrones en los niveles y subniveles es conveniente tener en cuenta las siguientes reglas: 1. Los electrones ocupan primero los subniveles de ms baja energa siguiendo el orden indicado en la figura 3.

MATERIAL EN REVISINFig. 3a. Orden de ocupacin de los subniveles de energa.

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p6 5s2 5p6 6s2 6p6 7s2 7p6 3d10 4d10 4f14 5d10 6d10 5f14 6f14

7d10 7f14

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Fig. 3b. Distribucin electrnica por niveles y subniveles de energas.

2. Los electrones llenan de uno en uno

los orbitales vacos de un subnivel

determinado. Cuando los orbitales se ocupan con un electrn, los restantes electrones, si los hay, formarn parejas con los distribuidos anteriormente. El anterior enunciado constituye la Regla de Hund, que indica que el estado de mnima energa, en los orbitales de un subnivel, es aquel en el cual es posible colocar un mximo de electrones con el mismo espn. En otras palabras, los electrones con igual spin, ocupan los orbitales de uno en uno. Si estn presentes electrones con espn contrario produciendo un estado ms energtico y menos probable. Ejemplo:

El tomo de hidrgeno posee un electrn que ocupar el subnivel de ms baja energa, o sea el 1s. La distribucin electrnica del hidrgeno ser: 1s1. . El nmero 1 indica el nivel en el cual est situado el electrn. La letra describe el subnivel correspondiente y por ltimo, en la forma de exponente se indica el

MATERIAL EN REVISINen orbitales diferentes tenderan a aparearse

nmero de electrones presentes en l. El siguiente elemento, Helio tiene dos electrones, que pueden aparearse en el orbital 1s cuyo nmero mximo de electrones es 2. La distribucin electrnica del helio ser: 1s2. Para el tomo de nitrgeno, que tiene 7 electrones, cuatro de ellos ocuparn por parejas (apareados), los subniveles 1s y 2s, los tres restantes (desapareados) ocuparn los tres orbitales del siguiente subnivel, el 2p. El nitrgeno queda entonces con tres electrones desapareados de espines iguales.

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122 2s2

2p3

Si observamos el nitrgeno tiene cinco electrones en el nivel ms externo. Estos se llaman electrones de valencia. Para cualquier tomo los electrones de valencia son los electrones del ltimo nivel. El siguiente cuadro muestra la distribucin electrnica de los 10 primeros elementos.Elemento H He Li Be B C N O F Ne Nmero atmico 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Distribucin electrnica. 1s1 1s2 1s2 2s1 1s2 2s2 1s2 2s2 2p1 1s2 2s2 2p2 1s2 2s2 2p3 1s2 2s2 2p4 1s2 2s2 2p5 1s2 2s2 2p6 Nmero de electrones desapareados. 1 0 1 0 1 2 3 2 1 0

MATERIAL EN REVISINEjemplo: Realizar la distribucin electrnica del elemento con nmero atmico 20. Solucin: De acuerdo al diagrama de la Figura 3 a y 3b, la distribucin electrnica ser: ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

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AUTOEVALUACIN FALSO Y VERDADERO Indique si son falsos o verdaderos cada uno de los enunciados siguientes: 1. Los electrones en un mismo nivel de tienen la misma energa. 2. En los subniveles de energa el electrn tiene energa cintica constante. 3. El nmero cuntico magntico indica el tipo de orbital. 4. El nmero de neutrones es igual al nmero de masa menos el nmero de pro5. Todos los orbitales de un mismo subnivel, tienen igual energa.

6. Para el elemento Z = 35 los electrones del ltimo nivel de energa son 7. 7. El nivel de energa con n = 4 puede albergar hasta 32 electrones. 8. En un tomo pueden existir 2 e con los 4 nmeros cunticos iguales.

RELACIONE LOS ENUNCIADOS DE LA COLUMNA I CON LOS DE LA COLUMNA II 9. Para el elemento (Z = 21) efecte la distribucin electrnica e indique las parejas que mejor se correlacionan: a. Nmero de niveles. b. Nmero de subniveles c. Nmero de orbitales d. Nmero de electrones desapareados ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 11 7 1 4 2 3

MATERIAL EN REVISINtones.

e. Nmero de electrones en el ( )

ltimo nivel10. Para235 92

U relacione cada literal con el numeral verdadero.( ) 1. 235

a. Protones

19

b. Neutrones c. Nmero atmico d. Nmero msico SELECCIN MLTIPLE

( ) ( ) ( )

2. 3. 4.

143 92 327

11. Qu configuracin electrnica corresponde al in Ca+2? a) 1S22S2 b) 1S22S22P63S2 c) 1S22S22P6 d) 1S22S22P63S23P6 e) 1S22S22P63S23P64S 11. El elemento cuya notacin espectral terminal es 4s2 3d2 tiene un nmero atmico. a) 20 b) 18 c) 24 d) 22 e) 26

12. Qu par de orbitales tienen la misma forma? a) 2s y 2p b) 2s y 3s c) 3p y 3d

MATERIAL EN REVISINd) ms de una es correcta. a) hay dos subniveles de energa b) el subnivel f tiene 7 orbitales c) hay tres orbitales s d) es permitido un mximo de 18 electrones. electrn y denomine, en su caso, el correspondiente orbital atmico: a) n = 1, l = 0, m = 0, s = 1/2 b) n = 5 , l = 2, m = -3, s = -1/2 c) n = 2 , l = 1, m = 1, s = 1/2

13. En el tercer nivel de energa,

14. Razone si sern posibles cada uno de los grupos de nmeros cuntico para un

20

d) n = 1 , l = 3, m = 3, s = 1/2

COMPLETACIN. Para cada uno de los postulados complete los espacios correspondientes: 15. El nmero mximo de electrones que en un tomo posee en los nmeros cunticos. a. n = 3 es _________________ b. n = 3 l = 2 es _________________

16. La configuracin electrnica de un elemento termina en 4 P5, especifique los nmeros cunticos para esos tres electrones.Electrn 4 Px1

MATERIAL EN REVISINc. n = 3 l =2 m = -2 es _________________ m = -2 d. n = 3 l = 2 ms = +1/2 es _________________n l m ms 4Py1 4 Pz1

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1.1.3 PROPIEDADES PERIDICAS DE LOS ELEMENTOS. Un paso importante en el desarrollo de la qumica lo constituy la organizacin de numerosas observaciones en el comportamiento de los elementos qumicos. Entre muchos intentos realizados, el ms importante fue un esquema de organizacin de los elementos con base en sus pesos atmicos, propuesto por el qumico ruso Dimitri Mendeleev. Este esquema constituye en la actualidad la Tabla peridica de los elementos qumicos.

La tabla peridica es probablemente la herramienta ms importante de la qumica. En ella, los elementos qumicos estn organizados, actualmente, segn la carga del ncleo. Esta organizacin permite enunciar la ley peridica as:"Las nmeros atmicos".

propiedades qumicas y fsicas de los elementos son funcin peridica de sus

MATERIAL EN REVISIN

Esta ley significa que cuando se ordenan los elementos por sus nmeros atmicos en forma ascendente, aparecen grupos de ellos con propiedades qumicas similares y propiedades fsicas que varan peridicamente. La tabla peridica esta organizada en columnas (grupos) y filas (periodos) que permiten establecer una relacin entre la distribucin electrnica de los elementos y su lugar en la tabla peridica. Los grupos son las columnas verticales de la tabla, constituidos por elementos que manifiestan propiedades fsicas y qumicas similares.

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Por ejemplo, al realizar la distribucin electrnica de los elementos del primer grupo (primera columna) se puede observar que la terminacin electrnica es idntica para ellos. Se puede notar que todas terminan en s1.

Tabla 3. Distribucin electrnica de los metales alcalinos 3Li 11Na 19K 37Rb 55Cs 89Fr 1s2 2s1 1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 5s1 5s1 5p6 6s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s1 5p6 5d10 6s2 6p6 7s1

Los elementos con distribucin electrnica terminada en s2 constituyen otro grupo con propiedades similares y se llaman alcalino-trreos. Otras familias son: El grupo del Boro, con distribucin electrnica terminada en s2p1.

MATERIAL EN REVISINEl grupo del Carbono, con distribucin electrnica terminada en s2p2. El grupo del Nitrgeno, con distribucin electrnica terminada en s2p3. El grupo del Oxgeno, con distribucin electrnica terminada en s2p4. Los Halgenos, con distribucin electrnica terminada en s2ps y los gases nobles con distribucin electrnica terminada s2p6. Los ocho grupos anteriores se conocen como elementos representativos.

Para la mayora de los elementos el nmero de su grupo esta determinado por el nmero de electrones de valencia. Adems, se puede observar que existen otras dos series de elementos, la primera de las cuales tiene una distribucin electrnica ordenada terminada en ds; se reparten en 10 grupos y se llaman elementos de transicin. La segunda serie tiene una distribucin electrnica ordenada termina en fs, distribuidos en 14

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grupos y se conocen como elementos de tierras raras elementos de transicin interna. En la tabla peridica se puede observar que en forma horizontal se obtienen conjuntos de elementos que presentan el mismo nmero de niveles ocupados con electrones, constituyendo cada conjunto, un perodo. El primer perodo lo forman los elementos hidrogeno, H y helio, He. El segundo periodo esta conformado por ocho elementos: Li, Be, B, C, N, O, F y Ne, el tercero por ocho, el cuarto por diez y ocho, etc. En el primer perodo se llena el nivel uno, en el segundo el nivel 2 y as sucesivamente.

Algunos elementos como Cr, Cu, Ag, Au, etc. presentan una aparente irregularidad en la distribucin electrnica, pero este comportamiento se explica poseer un subnivel d f semi completo, lo que produce mayor estabilidad.

en base a la regla de Hund que dice "Los elementos tienden, cuando es posible a

Es importante sealar que los elementos qumicos dentro de la tabla peridica

MATERIAL EN REVISIN

tambin se clasifican de acuerdo a algunas propiedades fsicas, como es el caso del carcter metlico que puedan poseer o no. Existen elementos metlicos, no metlicos y metaloides.

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MATERIAL EN REVISINTabla 4. Tabla peridica de los elementos qumicos

En la tabla peridica los elementos de cada grupo se localizan de la siguiente manera: 1. Elementos representativos: los elementos representativos se caracterizan porque su distribucin electrnica termina en sp ps y estn ubicados en ocho grupos familias. Las familias representativas son designadas con la letra A y un nmero romano igual al nmero de electrones de valencia, que resultan de sumar los electrones que hay en los subniveles s s y p del ltimo nivel.

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El perodo, en el cual se localiza un elemento representativo, lo da el ltimo nivel de la distribucin electrnica, o sea el mayor valor del nmero cuntico principal. Ejemplo 1: Localice en la tabla peridica los elementos cuyos nmeros atmicos son respectivamente 20 y 35. Solucin: a. La distribucin electrnica para el elemento con z = 20 es: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2

MATERIAL EN REVISINEn esta distribucin electrnica se observa que ltimo nivel electrnico es 4, es decir el elemento pertenece al periodo 4; tambin se observa que en el ltimo nivel solo hay electrones en 4s porque el 4p no est ocupado con electrones; o sea que la suma es 2 + 0 = 2 y por lo tanto, el elemento es del grupo IIA. Es representativo porque su distribucin electrnica termina en ps. b. La distribucin electrnica para el elemento con z = 35 es 12 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 Ordenndola de acuerdo a los niveles ocupados queda: ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 como se puede observar el ltimo nivel es 4; lo que proporciona el perodo. El grupo se puede hallar sumando los electrones en s y p del ltimo nivel; o sea 2+5 = 7; el elemento es del grupo VIIA, y es representativo porque su distribucin electrnica termina en sp.

26

2. Elementos de Transicin: Estn constituidos por todos los elementos cuya configuracin electrnica ordenada ascendentemente segn el valor de n tiene como penltimo subnivel ocupado con electrones el d. Las familias de transicin se designan con la letra B y un nmero romano que resulta de sumar los electrones de los ltimos subniveles d y s, del penltimo y del ltimo nivel respectivamente. Si la suma es 3, 4, 5, 6, 7 el grupo es respectivamente IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB. Si la suma es 8, 9 10 el grupo es VIIIB primera, segunda o tercera columna respectivamente. Y si la suma es 11 12 el grupo es IB y IIB respectivamente. El perodo se determina tambin por el ltimo nivel en la distribucin electrnica. Ejemplo 2:

MATERIAL EN REVISINLocalice en la tabla peridica los elementos cuyos nmeros atmicos son respectivamente 25 y 26. Solucin: a. Para el elemento con Z = 25 la distribucin electrnica es: ls2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 4s2 , 3d5 En forma ordenada por niveles ser: ls2, 252, 2p6, 3s2, 3p6, 3d5 ,4s2 Si se observa el penltimo subnivel ocupado es 3d. El elemento es de transicin y su ltimo nivel es 4 por lo tanto pertenece al periodo 4. Para hallar el grupo se suman los electrones de los subniveles 3d y 4s; es decir a 5 + 2 = 7; por lo tanto, corresponde al grupo VIIB. b. El elemento con Z = 26 la distribucin electrnica es: ls2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 4s2 ,3d6

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Ordenando por niveles ocupados es: 1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 3d6 , 4s2 Como se puede observar, el elemento es de transicin porque el penltimo subnivel ocupado en la distribucin electrnica ordenada es el 3d. El perodo en el cual se localiza el elemento es el 4 por ser el valor del ltimo nivel en la distribucin electrnica. Para hallar el grupo se suman los electrones de los subniveles 3d y 4s; o sea,

3. Los elementos de tierras raras: Son todos aquellos elementos en cuya configuracin electrnica ordenada, el penltimo subnivel es 4f o 5f.

MATERIAL EN REVISINLos elementos de transicin interna se colocan aparte en la tabla peridica en dos grupos o series de elementos; la primera serie comienza con el elemento que sigue al lantano y por eso se llama serie lantnida. La distribucin electrnica ordenada de esta serie termina en 4f 6s. La segunda serie comienza con el elemento que sigue al actinio, en el periodo y por eso se llama serie actnida, constituida por los elementos cuya configuracin electrnica ordenada termina en 5f 7s. La serie lantnida corresponde al perodo 6 y la actnida al perodo 7 de la tabla peridica.

6 + 2 =8; corresponde, por lo tanto, al grupo VIIIB.

1.1.3 PROPIEDADES PERIDICAS DE LOS ELEMENTOS Existe una serie de propiedades en los elementos que varan regularmente en la tabla peridica y que se denominan propiedades peridicas. Esto es, se repite un patrn particular de propiedades a medida que aumenta el nmero atmico. Entre

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ellas se encuentran: la densidad, el punto de ebullicin, el punto de fusin, la energa de enlace, el tamao atmico, el potencial de ionizacin, la afinidad electrnica y la electro-negatividad, entre otras. Una propiedad de los elementos que muestra una relacin peridica es el tamao de sus tomos. En general, el radio atmico disminuye de izquierda a derecha en un mismo periodo (por ejemplo del litio al flor). En los grupos el radio atmico aumenta a medida que aumenta el nmero atmico.

MATERIAL EN REVISINFigura 4. Tamaos relativos de tomos e iones.

Observe la variacin peridica de los tamaos relativos de los tomos, en la figura 5. La energa de ionizacin es otra propiedad peridica importante. La energa o potencial de ionizacin es la energa requerida para quitarle un electrn a un tomo neutro en el estado gaseoso. tomo (gaseoso) + energa in positivo (catin) + 1 electrn

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Ejemplo: Na(g) + energa

Na+ + 1e-

La variacin de esta propiedad peridica se explica fcilmente si se considera que a mayor tamao atmico, menor fuerza de atraccin sobre los electrones de valencia y por lo tanto menor energa o potencial de ionizacin; por lo cual, en la tabla peridica en un perodo, de izquierda a derecha, aumenta la energa de ionizacin por el efecto del aumento en la carga. Se observa la relacin inversa cuando disminuye el tamao de los tomos. En un grupo de la tabla peridica, de arriba hacia abajo, el potencial de ionizacin disminuye debido al aumento en el nmero de niveles de energa ocupados con electrones. Afinidad Electrnica: Es la energa liberada cuando un tomo neutro en el estado gaseoso enlaza un electrn para formar un in negativo (anin). El proceso se representa as:

Ejemplo: Cl + l e

MATERIAL EN REVISINtomo (gaseoso) + 1 electrn Cl- + energa anin + energa

La afinidad electrnica se comporta de la misma manera que el potencial de ionizacin en cada uno de los grupos y perodos de la tabla peridica.

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Electronegatividad Qumica: Es una de las propiedades peridicas mas importante en qumica y con base a la cual se establecen las propiedades de los sustancias.

MATERIAL EN REVISINFigura 5. Variacin de las propiedades peridicas

enlacen qumicos y se explica el comportamiento y las propiedades de las

La electronegatividad es la tendencia relativa que tienen los tomos para atraer los electrones que participen en un enlace qumico para formar compuestos. Se han propuesto varias escalas de valores para la electronegatividad, pero la que mayor aceptacin ha tenido es la de Linus Pauling, Pauling asign al flor, arbitrariamente, un valor de 4 y a los dems elementos valores que dependen de la tendencia relativa por atraer los electrones en un enlace. Esta propiedad peridica tambin depende de los mismos factores. Entre mayor sea la carga nuclear, mayor es la tendencia para atraer electrones y ser mayor la

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electronegatividad; a mayor tamao, menor es esta tendencia y menor es el valor de la electronegatividad. La electronegatividad vara exactamente en la misma forma que la afinidad electrnica y el potencial de ionizacin a travs de los grupos y perodos de la tabla peridica. AUTOEVALUACIN 1. Cules son los smbolos para los elementos con la siguiente configuracin

2. Ordene los siguientes elementos en orden creciente de su energa de ionizacin. a. Be, Mg, Sr b. Bi, Cs, Ba c. Na,Al, S

3. Escriba la configuracin electrnica del elemento de nmero atmico 17. Indique si se trata de un metal o un no metal y a qu grupo y periodo pertenece. 4. Dadas las siguientes configuraciones electrnicas 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 1s2 2s1 1s2 2s2 2p5 1s2 2s2 2p6 1s2 2s2 2p6 3s1 Cul de ellas presentara propiedades similares? Por qu? 5. Dadas las siguientes configuraciones electrnicas:

MATERIAL EN REVISINa. s1 b. S2p4 c. S2d10

electrnica?

32

A: 1s 2s 2p 3s 3p Indique:

2

2

6

2

4

B: 1s 2s C: 1s 2s 2p .

2

2

2

2

6

a) El grupo y perodo en los que se hallan A, B y C. b) Los iones ms estables que formarn A, B y C. 6. Indique para los elementos con nmeros atmicos 13, 16 y 20: a) Configuracin electrnica. b) Justifique cul tendr mayor energa de ionizacin. c) El grupo y el perodo del sistema peridico en que se encuentra cada elemento.

7. Dadas las siguientes configuraciones electrnicas de la capa de valencia: 1) ns 2) ns np 3) ns np1 2 4 2 6

8. a) Indique el grupo al que corresponde cada una de ellas.

MATERIAL EN REVISINb) Nombre dos elementos de cada uno de los grupos anteriores columna de la izquierda. a. ( ) Su configuracin electrnica termina en S1 b. ( ) Alta electronegatividad c. ( ) Nivel 3 completo con electrones d. ( ) tomo con todos sus electrones apareados e. ( ) 5 electrones en su penltimo subnivel d f. ( ) Su configuracin electrnica termina en 4f4 6s2 g. ( ) Radio atmico ms pequeo h. ( ) Halgeno 1. z = 10 2. z = 23 3. z = 9 4. z = 60 5. z = 1 6. z = 30 7. z = 42 8. z = 83

9. Relacione los conceptos de la columna de la derecha con los conceptos de la

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SELECCIN MLTIPLE: 10. El tamao atmico:

a. ( ) aumenta si aumenta la carga nuclear b. ( ) disminuye si aumenta la carga nuclear c. ( ) disminuye si aumenta el nmero de niveles llenos. d. ( ) disminuye si la carga nuclear disminuye e. ( ) se mantiene constante cuando vara la carga. 11. La energa de ionizacin a. ( ) permanece constante si la carga nuclear disminuye. b. ( ) aumenta si la carga nuclear aumenta. d. ( ) disminuye a lo largo de un perodo. grupo VA.

12. El elemento con z = 49 a. ( ) es de transicin. b. ( ) es un gas noble.

MATERIAL EN REVISINc. ( ) disminuye si la carga nuclear aumenta. e. ( ) es mayor para los elementos del grupo VIA que para los elementos del c. ( ) se localiza en el perodo 4 grupo IVA. d. ( ) se localiza en el perodo 5 grupo IIIA. e. ( ) se localiza en el perodo 4 grupo IIIA. localiza en el: a. ( ) perodo 1 grupo IA b. ( ) perodo 4 grupo VA c. ( ) perodo 3 grupo IIIA. d. ( ) perodo 3 grupo VIIA e. ( ) perodo 2 grupo VI A.

13. El elemento neutro que ocupa 9 orbitales en su distribucin electrnica se

34

DISCUSIN Cada uno de los iones Mg2+

y el Na

+

tiene diez electrones rodeando el ncleo.

Cul de ellos se esperara tener menor radio? Por qu? 14. Para cada uno de los enunciados discuta si son falsos o verdaderos.

Explique, adems, si la razn es la respuesta de la afirmacin. a) Los elementos no metlicos tienen un valor de electronegatividad ms alto que los metlicos. Porque: Los tomos de los elementos no metlicos son ms grandes. Porque:

MATERIAL EN REVISINb) El tomo de calcio es ms grande que el in calcio Los iones siempre son ms grandes que los tomos de los cuales se forman. elementos de un mismo periodo. c) La energa de ionizacin de un gas noble es siempre la ms baja de los Porque: Dentro de cada periodo, el radio atmico decrece de derecha a izquierda. 2. COMPUESTOS QUMICOS 2.1.1 ESTRUCTURA DE LAS MOLCULAS Enlaces Qumicos. En la naturaleza existen diversos compuestos formados por ms de un tomo de igual o diferentes clases, que se unen por medio de enlaces qumicos, en los cuales participan los electrones de valencia de los tomos enlazados. TEORAS SOBRE LA FORMACIN DE ENLACES

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Los electrones de valencia de un tomo juegan un papel importante en la formacin de los compuestos qumicos. Estos electrones son transferidos de un tomo a otro son compartidos entre los tomos que conforman el compuesto. La transferencia o el comportamiento de electrones originan los enlaces qumicos. Segn la teora del enlace de valencia los enlaces qumicos pueden ser: Enlace covalente. Es el enlace en el cual los electrones de valencia de los

tomos son compartidos entre ellos, porque poseen igual electronegatividad, poca diferencia de ella. Cabe resaltar que en el enlace covalente no ocurre transferencia de los electrones que participan en el enlace, ya que ellos al aparearse quedan compartidos entre los tomos enlazados.

Esta clase de enlace se produce entre elementos no metlicos, o no metlicos coordinado o dativo, en el que uno slo de los tomos aporta dos electrones que se comparten en el enlace.

con el hidrgeno. En algunos casos puede darse un enlace covalente

MATERIAL EN REVISIN: NH3 + H+ [H:NH3]+ NH4+

Ejemplo: Amonaco aporta el par de electrones catin de hidrgeno para formar in amonio. El enlace covalente se puede clasificar de acuerdo a diversos criterios: a. La cantidad de electrones compartidos. Si entre los tomos se comparten

dos electrones el enlace es covalente sencillo simple saturado.Cuando los electrones compartidos son cuatro, el enlace es doble insaturado. Por ltimo si se comparten seis electrones, el enlace es triple, insaturado b. La diferencia de electronegatividades. El enlace covalente es polar si la

diferencia de electronegatividades es mayor que cero, y el par de electrones no se encuentra distribuido equitativamente entre los tomos. Ejemplo: H:CL

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El enlace covalente es apolar si la diferencia de electronegatividades es igual a cero. En este caso, el par de electrones se distribuye equitativamente entre los tomos. Ejemplo: H2 Enlace inico. Es el enlace formado entre dos tomos con una apreciable diferencia en el valor de sus electronegatividades. Los electrones de valencia de los tomos son transferidos de un tomo a otro. En este enlace el tomo menos electronegativo cede electrones y queda cargado positivamente en forma de catin, mientras que el tomo ms electronegativo recibe los electrones y queda cargado negativamente en forma de anin.

Los compuestos inicos resultan normalmente de la reaccin de un metal de bajo no metal. El enlace inico formado se mantiene Na+Cl-

potencial de ionizacin, con un no metal. Los electrones se transfieren del metal al electrostticas entre iones. Ejemplo:

MATERIAL EN REVISINpor las atraccionesTabla 5. Valores aproximados del carcter polar de un enlace. Diferencia de electronegatividades Porcentaje del carcter inico 0.7 12 0.9 19 1.1 26 1.3 34 1.5 43 1.7 51 1.9 59 2.1 67 2.3 74 2.5 79

En la tabla 7 se puede observar que entre mayor sea la diferencia de electronegatividades, mayor es el carcter inico del enlace. Un enlace es inico cuando se unen dos tomos cuya diferencia de electronegatividades es igual mayor que 1,7.

Figura 6. a. Formacin de enlace covalente b. Inico,

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Segn la teora del enlace valencia.

Figura 7. Enlace covalente. a. No polar b. Polar

Se puede determinar si un enlace es inico, covalente polar no polar, mediante la diferencia de electronegatividades. PROPIEDADES DE LOS ENLACES.

A. Propiedades de las sustancias inicas:

MATERIAL EN REVISIN Las sustancias inicas se encuentran en la naturaleza formando redes cristalinas, por tanto son generalmente slidas. La mayora corresponde a compuestos inorgnicos ebullicin altos. Son solubles en disolventes polares como el agua. Cuando se tratan de sustancias disueltas o fundidas tienen una conductividad alta. Sus reacciones tienen rendimientos altos y son rpidas. Su dureza es bastante grande, y tienen por lo tanto puntos de fusin y Los compuestos covalentes suelen presentarse en estado lquido o gaseoso aunque tambin pueden ser slidos. Por lo tanto sus puntos de fusin y ebullicin no son elevados.

B. Propiedades de los compuestos covalentes.

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La mayora corresponde a compuestos orgnicos La solubilidad de estos compuestos es mnima en disolventes polares. Generalmente en solucin no conducen la corriente elctrica (excepto los cidos). Los slidos covalentes macromoleculares, tienen altos puntos de fusin y ebullicin, son duros, malos conductores y en general insolubles. Las reacciones son de bajo rendimiento y lentas. AUTOEVALUACIN 1. Complete el siguiente cuadro.

1 2 3 4 5

MATERIAL EN REVISINSustancias qumicas Propiedades Estado natural Partculas constituyentes T. de fusin y T de ebullicin. Solubilidad en agua Solubilidad en disolventes orgnicos Conductividad Velocidad de reaccin Ejemplo Sustancias Covalentes (molculas) Sustancias Covalentes (cristales) Sustancias Inicas

6 7 8

2. Clasifica los siguientes compuestos en covalentes o inicos. a. MgCl2 b. Na2S c. NH3. d. H2O e. H2S

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3. Qu compuesto de cada par tiene un enlace puente de hidrgeno intramolecular ms fuerte? a. NH3, H2O b. H2S , H2O c. HCl, HBr d. HCl, HF.

4. Los enlaces entre los siguientes pares de elementos son covalentes. Ordnelos de acuerdo a la polaridad, del ms polar al menos polar. a. H-O b. H-F c. H-N d. H-H e. H-C.

5. Clasifica las siguientes molculas como polares o no polares. a. F2 b. CO2 c. NH3 d. CCl e. HCl

6. Sealar de entre los siguientes compuestos los que cabe esperar que conduzcan la corriente elctrica. b. KCl(l) c. Mg(l) a. He(g) d. Cu (s) e. diamante(s).

7. De las siguientes molculas: F2; HC; NaCl, Cl2, CsF, SH2, ClF, CH4. a) Indique las que presentan enlaces covalentes polar. c) Indique las que presentan enlaces inicos. d) Indique la que presenta el enlace con mayor carcter inico. b) Indique las que presentan enlaces covalentes apolar

MATERIAL EN REVISINb. CO2 c. CH4 d. H2O

8. Es posible que una molcula sea no polar aunque contenga en laces covalentes polares? 9. Qu compuesto tiene doble enlace dentro de su estructura? a. NaCl

10. Cmo podra explicar que el H2O tenga una alta temperatura de ebullicin?

40

3. ESTADOS DE LA AMTERIA 3.1.1 ESTADO SLIDO El estado slido de la materia se compone de ordenamientos de partculas que no se desplazan de un sitio a otro y vibran en torno a posiciones fijas en sus estructuras. Estos slidos se denominan slidos cristalinos. Otros slidos, denominados amorfos, no tienen estructuras ordenadas y bien definidas. Los vidrios se consideran slidos amorfos o lquidos superenfriados, ya que fluyen con suma lentitud. Cuando un slido se calienta, sus partculas vibran ms rpido y su energa cintica aumenta, lo que provoca el rompimiento de la organizacin hasta la fusin convierte en lquido. del mismo. La temperatura de fusin es la temperatura a la cual el slido se

CARACTERSTICAS DE LOS SLIDOS

Los slidos tienen forma y volumen definido, son rgidos y no presentan fluidez. Los slidos no se pueden comprimir, porque se deforman. Los slidos se dilatan por accin del calor. Los slidos se difunden muy lentamente a travs de otros slidos.

MATERIAL EN REVISINpresin. slidos se pueden cristaliza en la misma forma. As mismo un slido puede cristalizarse en forma diferente. Este fenmeno se conoce con el nombre de polimorfismo.

Los slidos tienen densidades que dependen muy poco de la temperatura y la Los slidos presentan la propiedad de isomorfismo, es decir que diferentes

3.1.2 ESTADO LIQUIDO

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Un lquido est formado por molculas que estn en movimiento constante y desordenado. Sin embargo, diferentes fuerzas de atraccin evitan que se muevan tan libremente y estn tan separadas como se encuentran en un gas. Por otra parte, las molculas de un lquido no estn tan juntas o estructuradas como lo estn en un slido. PROPIEDADES DE LOS LQUIDOS Difusin. Cuando se mezclan dos lquidos las molculas de un lquido se desplaza entre los espacios de las molculas de otro lquido. Este proceso de denomina difusin. La difusin de dos lquidos se puede observar dejando caer una gota de tinta en un poco de agua.

Viscosidad. Es la resistencia que presentan los lquidos a fluir. La fluidez de un las fuerzas intermoleculares.

lquido es tanto mayor cuanto menor es su viscosidad. La viscosidad aumenta con

Accin capilar. Es el ascenso espontneo de un lquido en tubos angostos. Esto se debe a la diferencia entre las fuerzas que mantienen unido al lquido,

MATERIAL EN REVISIN

denominadas, fuerzas de cohesin y las fuerzas de atraccin entre un lquido y otra superficie, denominadas fuerzas de adhesin. Tensin superficial. Es la energa necesaria para ampliar la superficie de un lquido. Las molculas en la superficie del lquido estn menos atradas por las fuerzas intermoleculares, es por esto que la tensin superficial es responsable de la resistencia que un lquido presenta a la penetracin de su superficie, de la forma esfrica de las gotas de un lquido, del ascenso de los lquidos en los tubos capilares y de la flotacin de objetos u organismos en la superficie de los lquidos.

42

Temperatura de vaporizacin. Las molculas de un lquido pueden pasar al estado gaseoso a diversas temperaturas. La temperatura de vaporizacin es diferente a la temperatura de ebullicin. La temperatura de ebullicin es la temperatura, a una presin dada, en la cual un lquido pasa al estado gaseoso. 3.1.3 ESTADO GASEOSO El estado gaseoso es el menos denso de los estados de la materia. Segn la teora cintico-molecular se caracterizado por el movimiento libre, al azar, de las partculas (tomos, iones o molculas), las fuerzas intermoleculares son muy dbiles, por lo que las molculas del gas no se unen unas a otras, sino que se encuentran separadas, y cuando chocan no se pierde ninguna energa. CARACTERSTICAS GENERALES DEL ESTADO GASEOSO.

Los gases no tienen forma ni volumen definidos. Ocupan el volumen del recipiente teniendo en cuenta los sigueintes parametros.

que los contiene y se pueden comprimir. El estado gaseoso se puede caracterizar

MATERIAL EN REVISINP = F/A

Volumen. El volumen de un gas es el del recipiente que lo contiene. En el sistema internacional de unidades se expresa como metro cbico (m3). El litro es otra unidad de expresin del volmen. Presin. Es una fsica que se define como la fuerza ejercida sobre un cuerpo por unidad de rea, o sea: donde P = presin, F- Fuerza y A - rea.

La presin atmosfrica es la ejercida por los gases de la atmsfera. La unidad de medicin de la presin en el sistema internacional de unidades es el pascal

43

(Pa). Una atmsfera de presin equivale a 101325 Pa. Existen otras unidades de medicin de la presin, entre las cuales las ms usadas son: a) milmetros de mercurio (mm Hg) b) Torr (torr) c) milibares (mbar) d) libras por pulgadas cuadradas (psi- de sus iniciales en ingls lb/pulg2) Las equivalencias son: 1 atm = 760 torr = 760 mmHg = 101325 Pa = 1013 mbar = 14.7 lb/pulg2 psi. La presin de un gas se debe al choque de las molculas contra las paredes del recipiente que lo contiene.

Temperatura. Es la medida del contenido calrico de un cuerpo, como resultado

del movimiento de sus partculas (molculas, iones, tomos). La temperatura de un cuerpo se mide utilizando un termmetro, que se grada con referencias a los puntos de fusin y ebullicin del agua, medidos a una atmsfera de presin. Existen diversas escalas para expresar la temperatura: La escala Celsius toma como referencia el punto de congelacin y de ebullicin del agua y les asigna un valor 0C y 100C, respectivamente. Entre estos dos valores se hacen 100 divisiones iguales, cada una equivale a 1C. La escala Farenheit, le asigna a la temperatura de congelacin del agua un valor de 32F y al de ebullicin 212F. Entre estos dos valores se hacen 180 divisiones iguales; cada una equivale a 1 F.

MATERIAL EN REVISIN

44

La escala Kelvin, le asigna a la temperatura de congelacin del agua un valor de 273K y al de ebullicin 373K. Entre estos dos valores se hacen 100 divisiones iguales; cada una equivale a 1 K. Las equivalencias entre las escalas de temperatura son: K = C + 273 F = 1.8 x C + 32 Efusin. El proceso por el que un gas se escapa a travs de un orificio. GASES IDEALES Un gas ideal es un gas hipottico (modelo) en el cual el tamao y las interacciones (P), temperatura (T), volumen (V) se conocen como leyes de los gases.

de las partculas se pueden despreciar. Es estudio de las relaciones entre presin

Se dice que un gas se encuentra en condiciones normales si su temperatura es de 0 C y su presin de 1 atm. LEYES DE LOS GASES

MATERIAL EN REVISINV

Ley de Boyle: A temperatura constante (T), el volmen (V) de una masa fija de un gas es inversamente proporcional a la presin (P).

1 ; P

o sea V =

K PV = K P1V1= P2V2 P

Las ecuaciones anteriores significan que cuando la presin se duplica el volumen se reduce a la mitad, si la presin se triplica el volumen se reduce a la tercera parte; y si la presin, se reduce a la mitad el volumen se duplica, etc. Ejemplo

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Si una masa un gas ocupa un volumen de 30 L a 760 mm Hg y 0C. Qu volumen ocupar a 520 mm Hg y 0C? Solucin: Por la ecuacin algebraica:V2 = V1 x P1 30 L x 760mmHg = = 43.8L P2 520 mmHg

El ejercicio tambin se puede resolver analticamente como sigue: Si sabemos que la temperatura permanece constante, entonces se aplica la ley de Boyle. En este caso el volumen debe aumentar porque la presin disminuy. El volumen inicial se multiplica por un factor mayor que la unidad para que aumente. El factor es mayor que uno si el numerador es mayor que el denominador.V 2 = V1 x P1 760mmHg = 30 L x = 43.8L P2 520 mmHg

Ley de Charles: Si la presin se mantiene constante, el cambio de volumen que experimenta una masa fija de un gas es directamente proporcional a temperatura absoluta. V T ; T2 V1 = T1 V2 ; V = K x T tambin

MATERIAL EN REVISINla

V =K TEjemplo 4.50 L de oxigeno a 28C se calientan hasta 56C. Si la presin del gas permanece constante, Cul es el nuevo volumen del gas? Solucin: Inicialmente convertimos la temperatura a Kelvin: T1 = 28C + 273 = 301 K T2 = 56C + 273 = 329 K Por la ecuacin algebraica.

46

V2 =

V1 x T2 4.5 L x 329 K = = 4.91L 301 K T1

Resuelva este ejercicio por el mtodo analtico. Ley de Gay-Lussac: Si mantenemos constante el volumen, los cambios de presin que experimenta una cantidad fija de gas son directamente proporcionales a los cambios de temperatura. P T ; T2 P1 = T1 P2 ; P = K x T tambin

P =K TEjemplo:

Cierto volumen de un gas se encuentra a una presin de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0C. A qu temperatura deber estar para que su presin sea 760 mmHg?

Solucin: Inicialmente convertimos la temperatura a Kelvin: T1 = 25C +273 = 298 K Por la ecuacin algebraica.T2 =

MATERIAL EN REVISINT1 x P2 298 x 760 mmHg = = 233.5 K P1 970 mmHg

T2 = 233.5 K 273 = -39.5 C. Resuelva este ejercicio por el mtodo analtico. Ley de Dalton: Esta ley establece que la presin total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas. La presin parcial de un gas es presin que ejercera si los restantes gases no estuvieran presentes.

47

Para una mezcla de gases A, B, C, D la presin total es igual a: P T = P A + P B + P C + PD Ejemplo: Una mezcla contiene H2 a 0.8 atm de presin, N2 a 0.25 atm de presin y O2 a 0.6 atm de presin. Cul es la presin total de la mezcla? Solucion: PT = P(H2 )+ P(N2) + P(O2) = 0.8 atm + 0.25 atm + 0.6atm = 1.65 atm Ley de Graham: La razn de las velocidades de difusin de dos gases es inversamente proporcional a la razn de las races respectivamente la ley de Graham se expresa: molares. Matemticamente, para dos gases de masas molares M1 y M2

Ejemplo:

Determine la relacin entre las velocidades de difusin del oxgeno y el hidrgeno. Solucin: La masa molar del oxgeno, O2, es 32 g/mol y el del hidrgeno, H2 es 2 g/mol. Entonces.vH 2 = vO2 MO2 MH 1 = 32 2 = 4 vH 2 = 4vO2

MATERIAL EN REVISINV1 = V2 M2 M1

cuadradas de las masas

Quiere decir que el hidrgeno se difunde 4 veces ms rpido que el oxgeno.

Ley de

Avogadro: Volmenes iguales de diferentes gases tienen el mismo

nmero de molculas, si se encuentran en las mismas condiciones de presin y temperatura.

48

Ecuacin de estado de los gases ideales: Todas las leyes descritas anteriormente se pueden expresar en una sola ecuacin matemtica que relaciona los cuatro parmetros y se conoce como la ecuacin general del estado gaseoso. Las leyes de los gases muestran que el volumen es directamente proporcional a la cantidad de sustancia (n) y a la temperatura absoluta e inversamente proporcional a la presin: V

nT nT V =R ; o sea P P

PV = nRT

Donde R es la constante universal de los gases y su valor depende de las unidades en las cuales se expresen el volumen, la presin y la temperatura. R = 0.082 atm L mol-1 K-1 R= 8.314 Jmol-1 K-1

La cantidad de sustancia (n) se expresa en mol y ser defina ms adelante. Se puede calcular como la razn de una masa dada de la sustancia y su masa molar. La ecuacin de estado para el gas ideal se puede utilizar: a. Para calcular el valor de cualquier parmetro de la ecuacin. b. Determinar densidades y las masas molares de los gases. Ejemplo 5: Calcule el volumen que ocupan 2 moles de O2, considerado como un gas ideal, a 2 atmsferas de presin y 27 C. Solucin: La temperatura absoluta es: K = 27 C + 273 = 300 K despejando el volumen de la ecuacin de estado y reemplazando:

MATERIAL EN REVISIN

49

V= Ejemplo:

nRT = P

2 mol x 0.082

atm/L x 300K molK = 24.6 L 2 atm

Determine la densidad del oxgeno a condiciones normales. Solucin: El peso molar del oxigeno es 32 g/mol Si en la ecuacin de estado se reemplaza n = PV =m m y d= M V

Despejando y reemplazando:1 atm x 32

g PM mol = = 1.428 g / L d= atm x L RT 0.082 273K mol K

MATERIAL EN REVISINa. 35 C b. - 7 C c. 100 C d. 0 C

m RT M

PM = d RT

AUTOEVALUACION1. Expresar en grados Kelvin y F.

2. Una masa gaseosa de un litro se calienta a presin constante desde 15C hasta 92 C, Cul es el volumen final que ocupa el gas? 3. Se tienen 24 litros de gas a 5,0 atm, Cul ser el volumen si la presin fuese de 5 atm y la temperatura se mantiene constante?

50

4. Cul ser el volumen a 37 C y 4320 mm de Hg, de 100 litros de un gas que se encuentran a 4 atm de presin y 17 C? 5. Un neumtico de automvil se calienta de 27 C a 37 C, suponiendo que no se dilate, cul ser la presin final si la inicial es de 5 psi? 6. La densidad de un gas es de 1,98 kg/m3, calcular: a) masa molar b) La densidad cuando dos moles de ese gas ocupan un recipiente de 30 litros. 7. Se obtienen 20 cm3 de helio a 14 C y presin atmosfrica de 750 mm de Hg, determinar: a) El volumen en condiciones normales. b) La densidad a 20 C.

8. Una masa gaseosa a 25 C ejerce una presin de 12 atmsferas, cul ser el aumento de la presin si es calentada hasta 62 C manteniendo constante el volumen?

MATERIAL EN REVISINcomo anestsico. La lectura del manmetro de presin del tanque es de 1.20 atm. Si la presin parcial del oxigeno es de 137 torr, Cul ser la presin parcial del xido nitroso? corporal es de 37 C Cul ser el cambio de volumen en mililitros de una muestra de gas de 1.20 L, segn pasa de la temperatura de la habitacin a la temperatura del cuerpo? (considere que la presin permanece constante).

9. Un cilindro contiene una mezcla de oxgeno y xido nitroso (N2O) que se usa

10. Un anestesista administra un gas a 20 C a un paciente cuya temperatura

51

3.1.4 CAMBIO DE ESTADOEn el estado gaseoso, las molculas estn bastante separadas y poseen una gran energa cintica, en el estado lquido las molculas estn ms cerca unas de otras y su energa cintica es menor que en el gaseoso y en el estado slido las molculas estn vibrando en una posicin fija y su energa cintica es muchsimo menor. Los cambios de estado ocurren casi siempre a presin constante, slo necesitan cambiar la temperatura por adicin sustraccin de calor. Sin embargo cuando esta ocurriendo el cambio de estado la temperatura se mantiene constante.

Calor de transicin en los cambios de estado.

MATERIAL EN REVISINSublimacin Sublimacin reversible Ebullicin Condensacin

Gas

Slido

Fusin

Solidificacin

Lquido

Fusin es un proceso endotrmico en el cual una sustancia en estado slido pasaa estado lquido. Cuando un slido alcanza la temperatura de fusin, para pasarlo al estado lquido hay necesidad de aplicarle una cantidad de calor adicional, para romperlas fuerzas de atraccin intermoleculares. Este calor se denomina calor

entalpa de fusin (H fusin.), y es especfico para cada sustancia.El calor necesario para fundir una masa (m) dada encuentra a una temperatura T, se halla la expresin: Q f = m H fusin de una sustancia, que se

52

El calor de fusin se conoce como calor latente de fusin porque cuando se adiciona al sistema, no hay cambio en la temperatura.

Solidificacin es un proceso exotrmico en el cual una sustancia en estadolquido pasa a estado slido. En la temperatura de fusin y la de solidificacin, coexisten en equilibrio el slido y el lquido.

Ebullicin es un proceso endotrmico en el cual una sustancia en estado lquidopasa a estado gaseoso. Cuando un lquido alcanza la temperatura de ebullicin, para pasarlo al estado gaseoso es necesario aplicarle una cantidad de calor adicional, para romperlas fuerzas de atraccin intermoleculares. Este calor se para cada sustancia. denomina calor entalpa de ebullicin o vaporizacin (Hv), y es especfico

El calor necesario para convertir una masa (m) dada de un lquido a gas (vapor), que se encuentra a una temperatura la T, se halla la expresin: (Q v = m Hv)

MATERIAL EN REVISINpasa a estado lquido. En la temperatura de ebullicin y la de

El calor de ebullicin o de vaporizacin se conoce como calor latente de ebullicin vaporizacin porque cuando se adiciona al sistema, no hay cambioen la temperatura.

Condensacin es un proceso exotrmico en el cual una sustancia en estadogaseoso condensacin, coexisten en equilibrio el gas y el lquido.

Sublimacin y sublimacin inversa son cambios de estado en los cuales la sublimacin es el paso de slido a vapor e implica absorcin de calor, mientras

53

que la sublimacin regresiva es el paso de vapor a slido con liberacin de calor.

CURVA DE CALENTAMIENTO

La grfica muestra una curva de calentamiento de una sustancia desde su estado slido, pasando por el lquido, hasta el estado gaseoso. Si se desea calcular el calor requerido para cambiar la temperatura de una determinada masa estado gaseoso, se debe tener en cuenta el siguiente procedimiento: Q1 =m C(s) (T2 T1) donde: Q1 = cantidad de calor, medido en caloras m = masa (gramos) de sustancia en estado slido. C(s) = es el calor especfico de la sustancia en el estado slido

de un compuesto qumico desde su estado slido hasta una temperatura de su

MATERIAL EN REVISINFigura 6 Curva de calentamiento.

Cal g C

T2 T1 = Representa el cambio de temperatura ( T), en ese intervalo.

54

T2- es la temperatura de fusin. Cuando la sustancia alcanza la temperatura de fusin, debe absorbe calor (latente de fusin ( H fusin) ) para fundirla a lquido. El calor absorbido depende de la masa, y se calcula por la ecuacin: Q2 = m H fusin Si el calentamiento contina el lquido incrementa su temperatura hasta alcanzar la temperatura de ebullicin. El calor requerido para este cambio de temperatura se calcula por la expresin: Q3 = m C(l) (Teb T2) Q3 = m C(l) T C(l) es el calor especfico de la sustancia en el estado liquido

Cuando el lquido alcanza

(latente de ebullicin vaporizacin ( Hv)) para convertirla en gas.

El calor absorbido depende de la masa y se calcula por la expresin: Q4 = m Hv

MATERIAL EN REVISINCal g Cla temperatura de ebullicin, debe absorber calor Q5 = rn c(eb) (Tf - Teb) Q5 = m c(eb) T

Por ltimo el compuesto en estado gaseoso absorbe calor para cambiar su temperatura hasta una final en el mismo estado. La cantidad de calor se calcula por la expresin:

donde C(e) es el calor especfico de la sustancia en el estado gaseoso

Cal g C

El calor total aplicado durante el proceso de calentamiento es la suma de todos los calores, es decir: QT = Q1+ Q2 + Q3 + Q4+ Q5

55

Ejemplo:Determinar el calor necesario para producir vapor de agua a partir de 100 gramos de hielo desde 10C hasta agua vapor a 105C a presin de 1 atmsfera.

Datos:Tf (H2O) = 0C temperatura de fusin del agua. Teb( H2O) =100C temperatura de ebullicin del agua. C(s) = 0.5 C (l) = 1

Cal - calor especfico de la sustancia en el estado slido. g C

C (g) = 0.5

H(fusin) = 80

H(ebullicin) =540

MATERIAL EN REVISINCal - calor especfico de la sustancia en el estado gaseoso. g C

Cal - calor especfico de la sustancia en el estado lquido. g C

Cal g

Cal g

Solucin:Se calculan los diferentes calores a partir de la curva de calentamiento as: Q1 = m C(s) (Tf T1) = 100 g x 0.5

Cal (0 (-10))C = 500 cal. g C

Q2 = m H (fusin) = 100 g x 80

Cal = 8000 cal gCal (100 0)C = 10000 cal g C

Q3 = m C (l) (Teb Tf) = 100 g x 1 Q4 = m H (ebullicin) = 100 g x 540

Cal = 54.000 cal g

56

Q5 = m C (eb) (TF Teb) = 100 g x 0.5

Cal (105 100)C = 250 cal g C

QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 500 + 8000 + 10000 + 54000 + 250 = 72750 cal

4. CANTIDAD DE SUSTANCIALa materia esta compuesta por diferentes clases de partculas. Una manera de medir la cantidad de sustancia es contar su nmero de partculas. Debido a que los tomos, molculas, iones y otras partculas son extremadamente pequeas, el nmero de partculas individuales en una muestra (aunque sea muy pequea) es muy grande. Contar las partculas no es prctico. Sin embargo se puede contar las partculas. Ese trmino se conoce con el nombre de mol.

partculas si se introduce un trmino que representa un nmero especfico de esas

4.1.1 MOL:

Es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas unidades

MATERIAL EN REVISIN

estructurales (tomos, iones, molculas, electrones, protones etc.) como la cantidad de tomos en 0,012 kilogramo del istopo de carbono 12. El nmero de tomos que existen en 0,012 kilogramo del istopo de carbono 12 es igual a 6.02 x 1023 (nmero de Avogadro). La masa de un mol de un elemento o de un compuesto es igual a la masa atmica o molecular expresada en gramos.

MASA MOLAR La masa molar es la relacin entre la masa de la sustancia y la cantidad de sustancia, es decir

57

M (X ) =

m(X ) n(X )

Donde M (X) es la masa molar de la sustancia X; m (X), la masa de la sustancia X, y n (X), la cantidad de sustancia X. La masa molar tiene unidades de kg/mol, sin embargo, habitualmente, se utiliza la unidad g/mol La unidad de masa es g, kg. La unidad SI de cantidad de sustancia es mol. Ejemplo: Qu cantidad de sustancia contienen 10,8 g de una muestra de aluminio? Solucin.

La masa molar del aluminio constituye:

Determinamos la cantidad de sustancia de aluminio en la muestra:n (Al) = m(Al) ; M (Al) n (Al) =

MATERIAL EN REVISINM (Al)=27 g/mol.10,8 mol = 0,4 mol * 27

Ejemplo: Qu cantidad de sustancia contienen 12 g el xido de azufre (VI)? Solucin. La masa molar del xido de azufre (VI) constituye M (SO3) = M (S)+3M (O); M (SO3) = (32+3 x 16) g/mol = 80 g/mol, donde M (S) y M (O) son las masas molares del azufre y del oxgeno atmicos, respectivamente.

58

*En este ejemplo y en los que siguen las unidades se colocarn despus del valor numrico de la magnitud tanto al final del clculo, como despus de los resultados de todos los clculos intermedios. Aunque lo correcto sera:

n( Al ) =

10,8 g = 0,4 mol 27 g / ml

Determinamos la cantidad de sustancia del xido de azufre. (VI):

Ejemplo.

Determinar la masa del carbonato de sodio, de una cantidad de sustancia igual a 0,25 mol.

MATERIAL EN REVISINn( SO3 ) = m( SO3 ) 12 ; n ( SO3 ) = mol = 0,15 mol M ( SO3 ) 80

Solucin. La masa molar del carbonato (le sodio constituye M (Na2CO3) = 2M (Na) + M (C) + 3M (O); M (Na2CO3)= (2x 23 + 12 + 3 x16) g/mol = 106 g/mol. Determinamos la masa de Na2CO3: m (Na2CO3) = n (Na2CO3) . M (Na2CO3); n (Na2CO3) = O,25.106 g = 26,5 g. Ejemplo. Cuntas unidades estructurales contienen 50,8 g de yodo molecular?

59

Solucin. La masa molar de I2 es igual a 254 g/mol. Determinamos la cantidad de sustancia del yodo molecular:n( I 2 ) = m (I2 ) 50,8 ; n( I 2 ) = = 0,2 mol M (I2 ) 254

Determinar el nmero de unidades estructurales (en el caso dado, de molculas) del yodo es posible valindose de la constante de Avogadro NA: N(I2)=n(I2)NA, donde N(I2) es el nmero de unidades estructurales (molculas) del yodo; NA = 6,02 x 1023 mol -1. Por consiguiente.

Ejemplo:

Qu cantidad de sustancia del azufre atmico (elemental) se contiene en el sulfuro de hierro (II) cuya masa es de 22 g? Solucin. La masa molar del sulfuro de hierro (II) FeS constituye 88 g/mol. Determinamos la cantidad de sustancia de FeS:

MATERIAL EN REVISINN (I2) = 0,2 x 6 x 1023 = 1,2 x 1023

n ( FeS ) =

m ( FeS ) : M ( FeS )

n ( FeS ) =

22 mol = 0,25 mol 88

60

De la frmula mnima (emprica) del sulfuro de hierro (II) se infiere que la cantidad de sustancia del azufre atmico es igual a la cantidad de sustancia del sulfuro, es decir n(S)=n (FeS); n(S)=0,25 mol.

AUTOEVALUACIN1. Calcule el calor necesario para convertir en vapor 50 g. de hielo a -15C hasta vapor a 110C. Utilice los siguientes datos: Calor especfico del agua (slido): Calor especfico del agua (lquida): Calor especfico del agua (gas): Calor de fusin: ( H fusin) Calor de ebullicin o vaporizacin: ( H ebullicin)

2. Determine la cantidad de calor (en cal.) requerida para calentar compuesto desde -25C hasta 280C con base en los siguientes: Temperatura de fusin: Temperatura de ebullicin: Calor de fusin: ( H fusin) Calor de ebullicin o vaporizacin: ( H ebullicin) Calor especfico (slido): Calor especfico (lquido): Calor especfico (gas): Masa de la sustancia:

MATERIAL EN REVISINun 25 C 200 C 165 cal/g. 350 cal/g. 1.0cal/g oC 2.5 cal/g oC 1.5 cal/g oC 85g

0,5 cal/g oC 1,0 cal/ g oC 0.5 cal/g o 80 cal/g 540 cal/g

3. Determinar la cantidad de sustancia del bromo Br2 contenida en 12.8 g.

61

4. Determinar la masa del yoduro de sodio NaI, si la cantidad de sustancia es igual a 0,6 mol. 5. Determinar la cantidad de sustancia del boro atmico que se contiene en 40.4 g de tetraborato de sodio Na2B4O7. 6. Cuntos tomos de fsforo contiene el tetrafsforo P4 de 155g de masa? 7. Qu cantidad de sustancia del xido de azufre (IV) contiene el mismo nmero de tomos de azufre que la pirita FeS2 de 24 g de masa?

MATERIAL EN REVISIN

62

MATERIAL EN REVISINUNIDAD 2 DISPERSIONES

63

2.1 SOLUCIONES VERDADERASLas soluciones verdaderas o simplemente soluciones, son mezclas homogneas de dos o ms componentes, que pueden separarse por mtodos fsicos. Son homogneas porque poseen una sola fase y sus partculas son de tamao semejante al de iones y molculas pequeas. Son estables y no se precipitan. coloidales, principalmente en el tamao de las partculas del soluto o de la fase dispersa y en las propiedades que derivan de dicha diferencia.

Las soluciones verdaderas difieren de las suspensiones y de los sistemas

2.1.1 CLASIFICACIN DE LAS SOLUCIONES COMPONENTES DE UNA SOLUCIN.

MATERIAL EN REVISIN

Los componentes de una solucin son: soluto sustancia disuelta fase dispersa y el solvente medio dispersante. Si el solvente y el soluto se encuentran en diferentes estados de la materia, entonces el solvente es el componente cuyo estado es igual al de la solucin final. Por ejemplo, si preparamos una mezcla de mercurio (lquido) y plata (slido) y la solucin final resulta en estado slido, entonces el solvente es la plata. Cuando los componentes se encuentran en el mismo estado de la materia, el solvente es la sustancia que se encuentra en mayor cantidad. Cuando el agua es uno de los componentes, se considera que es el solvente, an cuando se encuentre en menor cantidad.

64

Estado Fsico de la solucinGaseoso Lquido Slido

Estado fsico de los componentes puros

EjemploAire. Mezclas gaseosas Amonaco en agua Acetona en agua Azcar en agua Hidrgeno en nquel Cobre en oro (aleacin)

SolutoGas Gas Lquido Slido Gas Slido

SolventeGas Lquido Lquido Lquido Slido Slido

Otras combinaciones de componentes son posibles pero no seran soluciones verdaderas. Por ejemplo, la mezcla de slido en gas esta compuesta por dos fases y se trata de un aerosol que es una clase de coloide que se estudiar ms adelante; igual sucede con las mezclas de lquido en gas, y de lquido en slido.

SOLUCIONES SATURADAS; INSATURADAS; SOBRESATURADAS.

La proporcin de las masas del soluto y el solvente en una solucin es el principal soluto y solvente las soluciones se clasifican:

criterio para clasificar las soluciones. De acuerdo a las cantidades relativas de

MATERIAL EN REVISINSolucin saturada, es aquella en la que se ha disuelto, la mxima cantidad desoluto que es capaz de disolver una determinada cantidad de solvente a una temperatura dada. Por ejemplo, si se desea preparar una solucin saturada de NaCl en agua habra que disolver 39 gramos de esta sal en 100 gramos de agua a 20C (la solubilidad del NaCl en agua es 39 g por cada 100 g de agua a 20). Cualquier exceso de sal se precipitara.

Solucin insaturada, es aquella en la que se ha disuelto, poca cantidad desoluto, de la mxima que es capaz de disolver una determinada cantidad de solvente a una temperatura dada.

65

Solucin sobresaturada, es aquella en la que se ha disuelto una cantidad desoluto mayor que la mxima cantidad de soluto que es capaz de disolver determinada cantidad de solvente a una temperatura dada. Por ejemplo, si se desea preparar una solucin sobresaturada de NaCl, es necesario disolver ms de 39 gramos en 100 gramos de agua a una temperatura mayor de 20C y luego enfriar a 20C. Estas soluciones no son estables.

SOLUCIONES CONCENTRADAS Y DILUIDAS.

Desde el punto de vista cualitativo se puede hablar de: solucin concentrada, como aquella que posee una cantidad considerable de soluto con relacin a la cantidad de solvente; solucin diluida, como aquella que soluciones saturadas son concentradas.2.1.2 UNIDADES DE CONCENTRACIN

tiene poca cantidad de soluto con relacin a la cantidad de solvente. Las

Las unidades de concentracin expresan la cantidad de soluto disuelta en una disuelta ms concentrada estar la solucin. Las unidades de concentracin se clasifican en unidades fsicas y qumicas.

cantidad dada de solvente o de solucin. Entre mayor sea la cantidad de soluto

MATERIAL EN REVISINPorcentaje de soluto en la solucin. Puede ser porcentaje en masa (peso)2 porcentaje de msa en volumen porcentaje en volumen.

UNIDADES FSICAS.Las unidades fsicas de concentracin no tiene en cuenta la masa molar de los componentes de la solucin.

Es importante anotar que los conceptos de masa y peso son diferentes. El peso depende de la gravedad. Aqu usaremos indistintamente estos conceptos.

2

66

Porcentaje en masa. (Porcentaje masa/masa). Indica la masa de solutodisuelta en 100 gramos de solucin y se puede calcular mediante la expresin:

%Ejemplo:

m p masa del soluto % = p masa de la solucin x 100 m

Cul es el porcentaje en masa (peso) de una solucin que se prepar mezclando 20g de glucosa con 120g de agua?

Solucin.m(soluto) = 20g m(solucin) = 20g + 120g = 140g

%

Ejemplo:

Qu masa de sacarosa se necesita para preparar 150g de solucin al 4% en masa?

MATERIAL EN REVISINm 20g = x 100 = 14.28% m 140g m (soluto) x 100% 150 g4% x 150 g = 6g 100%

Solucin.De la frmula obtenemos: 4% =

m (soluto) =

Ejemplo:Cul es la masa de una solucin de cido actico al 15% (m/m) que contiene 165g de cido actico?

Solucin.

67

De la frmula obtenemos: 15% =

165 g x 100% m ( solucin )

m(solucin) =

165 g x 100% = 1100 g de solucin 15%

Porcentaje masa/volumen.Indica la masa de soluto disuelta en 100 ml de solucin y se puede calcular mediante la expresin: %

m masa de soluto x 100% = V 100 ml de solucin

Ejemplo:

Cul es la masa de KOH que hay que disolver con suficiente agua hasta completar 100 ml de solucin con una concentracin al 2.5% m/V?

Solucin.2.5% =

MATERIAL EN REVISINm( KOH )g x 100% 100 ml de solucin2.5% x 100 = 2.5 g 100 V volumen de soluto = x 100% V volumen de solucin

m(KOH) =

Porcentaje en volumen. (Porcentaje volumen /volumen).Indica el volumen (en mililitros) de soluto disuelto en 100 mililitros de solucin y se puede calcular mediante la expresin: %

Para el clculo de esta unidad se puede considerar con bastante aproximacin que los volmenes son aditivos, es decir que el volumen final de la solucin es igual al volumen del soluto ms el volumen del solvente. Pero en muchos casos el

68

volumen de la solucin no es igual a la suma de los volmenes del soluto y del solvente. En este caso para realizar los respectivos clculos es necesario conocer las densidades del soluto, solvente y de la solucin final.

Ejemplo:Calcule el porcentaje en volumen, en una solucin que se prepara mezclando 70 ml de etanol y 300 ml de agua a 25C. Considere los volmenes aditivos.

SolucinV (soluto) = 70ml V (solucin) = 70ml + 300ml = 370ml

Ejemplo:

Al mezclar 50 ml de agua de densidad 1g/ml con 70 ml de metanol de densidad volumen del metanol en la solucin.

0,8 g/ml se obtiene una solucin de densidad 0,9 g/ml. Calcular el porcentaje en

MATERIAL EN REVISIN%

70 ml V V ( soluto ) = x100 = x100 = 18,92% 370 ml V V ( solucin)

Solucin.Al mezclar el agua y el alcohol, el volumen de la solucin no es igual a la suma de los volmenes. Por esta razn es necesario calcular la masa de la solucin inicialmente: m(H2O) = V(H2O) x (H2O) = 50 ml x 1g/ml = 50g m(alcohol) = V(alcohol) x (alcohol) = 70 ml x 0,8g/ml = 56g m(solucin) = 50g + 56g = 106g Determinamos el volumen de la solucin: V=

masa 106 g = = 117,8ml volumen 0,9 g / ml

Calculamos el porcentaje en volumen:

69

%

70 ml V ( soluto) V x100 = = x100 = 59,4% 117,8 ml V V ( solucin)

Partes por milln.Se define como la masa soluto expresada en miligramos contenidos en un litro kilogramo de solucin. El nombre de sta expresin de concentracin se deriva de la relacin entre Kg y mg (1 kilogramo = 106 miligramos). ppm =

m( solouto), mg m( solucin)kg , V ( solucin) L

Ejemplo: la concentracin de histamina permitida en ciertos alimentos no puedealimento con una concentracin de 45 ppm?

exceder de 50 ppm. Cuntos miligramos de histamina contiene 3 kg de un

Solucin:45 ppm =

MATERIAL EN REVISINm( solouto), mg 3kg ( solucin) mg x 3 kg = 135 mg kgLa concentracin molar o molaridad se

m(soluto) = 45

UNIDADES QUMICASLas unidades qumicas de concentracin tiene en cuenta la masa molar de los componentes de la solucin.

Concentracin molar (molaridad).define como la cantidad de sustancia solucin. M=

(nmero de moles) presente en un litro de

n ( soluto ) V solucin( L )

70

Ejemplo:Cul es la concentracin molar de una solucin de volumen 200 ml que contiene 20g de NaCl?

Solucin.M=

n( NaCl ) mol V ( Solucin ) L 20 g = 0.34 mol 58.45 g / mol 1L = 0.2 L 1000 ml

n (NaCl) =

V (solucin) = 200 ml x M=

Ejemplo:0.45M?

Cul es la masa de KClO3 necesaria para preparar 500 ml de una solucin

MATERIAL EN REVISIN0.34 mol mol = 1.7 1.7 M L 0.2 L 1L = 0.5 L 1000 ml mol n( KClO3 ) = L 0.5 L mol x 0.5 L = 0.225 mol L 122.6 g = 27.58 g 1 mol

Solucin.V (solucin) = 500 ml x 0.45

n( KClO3 ) = 0.45

m( KClO3 ) = 0.225 mol x

Concentracin normal (normalidad). La concentracin normal o normalidad sedefine como el nmero de equivalentes del soluto presente en un litro de solucin.

71

N=

Eq ( soluto ) V solucin( L )

El nmero de equivalentes del soluto se calcula a partir de la expresin:

Eq ( soluto ) =donde:

m ( soluto ) M eq

M eq = masa molar equivalente o peso equivalente. El peso molar equivalente o pesoequivalente es igual a:

donde Z es un nmero que depende de la naturaleza de las sustancias y de la clase de reaccin dnde participen los compuestos. de mol) por la expresin:

El nmero de equivalente esta relacionado con la cantidad de sustancia (nmeroZ m ( soluto ) =Zn M

n = Cantidad de sus tan cia del soluto ( nmero de mol )

MATERIAL EN REVISINEq ( soluto ) =

M eq ( soluto ) =

M ( masa molar soluto ) Z

A partir de esta relacin la concentracin normal se puede relacionar con la concentracin molar por la expresin: N=ZM Para un cido Z es igual al nmero de H+ que contenga en su molcula o al nmero de H+ que participe en una reaccin qumica. Para una base Z es igual al nmero de OH- que contenga en su molcula o al nmero de OH- que participe en una reaccin qumica. Para una sal Z es igual a la valencia del metal multiplicado por la cantidad de ellos que contenga la molcula.

72

Ejemplo:Cul es la concentracin normal de una solucin que se prepar disolviendo 9,8 gramos de H2SO4 en suficiente agua hasta completar 100ml de solucin?

Solucin:Eq ( soluto) =

9,8 g ( soluto) M eq

Para el cido sulfrico Z = 2 y la masa molar equivalente (peso equivalente) es:

M eq ( soluto) =

98 g / mol (masa molar soluto) = 49 g / Eq 2 Eq / mol

Entonces el nmero de equivalente es:

Eq ( soluto) =

V (solucin) = 100ml = 0.1L

La concentracin normal es: N=

MATERIAL EN REVISIN9,8 g ( soluto) = 0.2 Eq 49 g / EqEq ( soluto) 0,2 Eq = = 2 Eq / L =2N 0,1L V solucin( L) Eq ( soluto) Eq ( solutos ) = = 4 Eq / L 0,25L V solucin( L)

Ejemplo:Cuntos gramos de Ca3(PO4)2 se necesitan para preparar 250 ml de una solucin 4 N?

Solucin:N=

Eq(soluto) = 4Eq/L x 0,25L = 1Eq El nmero de equivalente es igual a:

Eq ( soluto) =

masa ( soluto) = 1Eq M eq

73

Para el Ca3(PO4)2, Z es igual a 6. La valencia del calcio 2 se multiplica por los 3 tomos de calcio que hay en la molcula.

M eq ( soluto) =

310,18 g / mol (masa molar soluto) = 51,7 g / Eq 2 x3g / Eq

m(soluto) = 1Eq x 51,7g/Eq = 51,7g

Concentracin molal (molalidad).Se define como la cantidad de sustancia (nmero de moles) del soluto contenido en 1 kilogramo del solvente. Se calcula mediante la ecuacin. m=

Ejemplo: Calcule la molalidad de una solucin que resulta de disolver 8gramos de NaOH en200 gramos de H2O. m=

m(solvente) =

MATERIAL EN REVISINn( soluto) m( solvente) Kg n( soluto) =

n ( soluto ) m ( solvente ) Kg

8g masa( soluto) = = 0.2 moles 40 g / mol M

100 g = 0.1 kg 1000 g / kg

m=

0.1 moles = 1 mol/kg 0.1 Kg

La concentracin de la solucin es 1 molal.

2.1.3 PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS SOLUCIONESLas propiedades coligativas de una solucin son aquellas que dependen solamente de la concentracin de soluto, independientemente de su naturaleza, se trate de tomos, iones o molculas. Estas son: disminucin de la presin de vapor del solvente, aumento de la temperatura de ebullicin (aumento ebulloscpico) disminucin de la temperatura congelacin (descenso crioscpico); y la presin

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osmtica. Las propiedades coligativas tienen aplicaciones importantes en el clculo de concentraciones de soluciones, de masas molares de solutos, en la preparacin de mezclas anticongelantes, soluciones de uso mdico, entre otras. En este curso se mostraran ejemplo de las propiedades coligativas slo para solutos moleculares, es decir aquellos solutos que no se disocian.

PRESIN DE VAPORLa presin de vapor de una solucin es menor que la presin de vapor del solvente puro que la conforma. Si el soluto no forma iones cuando se disuelve una solucin, la presin de vapor de la solucin (p) es igual a la fraccin molar del soluto (X) multiplicada por la presin de vapor del solvente puro (p o) p=Xpo

Las soluciones que cumplen esta ley se denominan soluciones ideales. Generalmente son soluciones diluidas.

MATERIAL EN REVISIN

AUMENTO EBULLOSCPICO.Una solucin que contiene un soluto no voltil y molecular aumenta la temperatura de ebullicin (Te), con respecto a la temperatura de ebullicin del solvente puro. El aumento ebulloscpico esta dado por: Te = m Ke Donde: m es la molalidad Ke es la constante ebulloscpica del solvente constante molal del punto de ebullicin.

Ejemplo:

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Calcule la temperatura de ebullicin de una solucin que contiene 17,1 g de sacarosa (C12H22O11) disueltos en 500 g de H2O. La temperatura de ebullicin del agua a 1 at de presin es 100C.

Solucin:M (masa molar) de la sacarosa es 342g/mol

Te =mKem= m=

n ( soluto) masa( solvente)kg

n( soluto) =

17,1 g = 0,05mol 342 g / mol

Ke(H2O)=0,52

Te = 0,52

Te=Te (solucin) - Te (solvente)Despejando de la ecuacin:

Te (solucin) = Te (solvente)+ Te = 100C + 0.104C = 100,104C

MATERIAL EN REVISINC kg mol C kg mol x 0,1 = 0,052C mol kg

0,05 mol = 0,1mol / kg 0,5 kg ( solvente)

DESCENSO CRIOSCPICO.Una solucin que contiene un soluto no voltil y molecular disminuye la temperatura de congelacin (Tc), con respecto a la temperatura de congelacin del solvente puro. El descenso crioscpico est dado por: Tc= m Kc Donde: m es la molalidad Kc es la constante crioscpica del solvente constante molal del punto de congelacin.

Ejemplo:

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Calcule la temperatura de congelacin de una solucin que contiene 200 gramos de etilenglicol, (C2H6O2) en 400 gramos de agua.

Solucin:M (masa molar) del etilenglicol 62,07g/mol

Tc =mKcm= m=

n ( soluto) masa( solvente)kg

n( soluto) =

200 g = 3,22mol 62,07 g / mol

Ke(H2O)=1,86

Te = 1,86

Tc= Tc (solvente) Tc (solucin)Despejando de la ecuacin:

MATERIAL EN REVISINC kg mol C kg mol x 8,05 = 14,90C mol kguna solucin y su

3,22 mol = 8,05mol / kg 0,4 kg ( solvente)

Tc (solucin) = Tc (solvente) - Tc = 0C 14,90C = -14,90C

PRESIN OSMTICA.Cuando dos soluciones de diferentes concentraciones o

solvente puro estn separados por una membrana semipermeable (selectiva) que deja pasar solamente a las molculas de solvente, el resultado neto es el paso del solvente de la solucin ms diluida a la solucin ms concentrada o del solvente puro a la solucin, para tratar de igualar las concentraciones. Este fenmeno se denomina smosis. La presin osmtica, es la presin ejercida sobre la solucin ms concentrada para que no ocurra la smosis

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La presin osmtica ( ), esta dada por la siguiente ecuacin:

V=nRTDonde: V es el volumen de la solucin [L] n es la cantidad de sustancia (nmero de moles de soluto) R es la constante universal de los gases ideales T temperatura absoluta [K] Despejando al frmula:

=

n RT = M R T V

donde M es la concentracin molar.

Ejemplo:

Cul es la presin osmtica a 27C de una solucin que contiene 45 gramos de glucosa C6H12O6 en 100 ml de solucin acuosa?

Solucin:

M (masa molar) de la glucosa 180g/mol n(glucosa) =

MATERIAL EN REVISIN4 5g m = = 0,25mol M 180 g / moln 0,25mol atm L RT = x 0.082 x 300 K = 61,5 atm. 0,1L V mol k

V (solucin)=100ml =0,1L

=

AUTOEVALUACIN. 1. Cul es el porcentaje en masa de cada una de las sigueintes soluciones?:a) 25 g de NaBr + 100 g de H2O

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b) 1,20 g de CaCO3 + 100 g de H2O

2. Cuntos gramos de una solucin de AgNO3 al 12,5% en masa contiene15 g de AgNO3?

3. Cul es el porcentaje en volumen de una solucin preparada con 10 ml demetanol disuelto en agua hasta un volumen de 40 ml.?

4. Se prepara una solucin que contiene 6 g de soluto en 500 cm3 desolucin. Expresar su concentracin en: % m/V

5. Una muestra de agua de mar contiene 15 g de NaCl en 300 g de Agua.Expresar su concentracin en: a. % m/m b. ppm

6. Cuntos gramos de Na2SO4 se necesitan para preparar 250 ml de una

MATERIAL EN REVISIN7. Cuntos gramos de NaOH debern utilizarse para obtener 1 litro desolucin 0,25 M? cido?

solucin 2M?

8. Qu volumen de solucin de H2SO4 0,75 mol/L contienen 50 gramos de 9. Calcular la molaridad de una solucin que contiene:a) 58,5 g de NaCl en 500 cm3 de solucin.

b) 315 g de NaCl en 2000 cm3 de solucin.

c) 10 g de NaOH en 500 cm3 de solucin.

10. En 250 g de agua se disuelven 20 g de etanol (C2H6O). Calcular lamolaridad de la solucin.

11. Calcular la concentracin molal (molalidad) de 500 cm3 de una solucinque contiene en los que se disuelven 60 g de H2SO4.

12. Calcular los pesos equivalentes (masa molar equivalente) de los cidos:a) HNO2 b) H3PO4 c) H2SO4 d) HNO3

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13. Calcular los pesos equivalentes (masa molar equivalente) de las siguientesbases: a) NaOH b) Ca(OH)2 c) Fe(OH)3 d) Al (OH)3

14. Calcular los equivalentes gramos de las siguientes sales:a) FeCl3 b) Al2 (SO4)3

MATERIAL EN REVISINd) KF

c) AlCl3

15. Calcular la normalidad de una solucin que contiene 15 g de Fe(OH)3 en800 ml de solucin.

16. Qu volumen de solucin 0,1 N de KOH contiene 2,8 g de base?de agua?

17. Qu sera ms efectivo para bajar la temperatura de congelacin de 500 ga) 100 g de sacarosa C12H22O11 o 100 g de alcohol etlico, C2H5OH b) 100 g de sacarosa C12H22O11 o 20 g de alcohol etlico, C2H5OH c) 20 g de alcohol etlico, C2H5OH o 20 g de alcohol metlico, CH3OH

2.2 SUSPENSIONES 2.2.1 CARACTERSTICAS GENERALES DE LAS SUSPENSIONES.Las suspensiones son mezclas heterogneas e inestables que contienen partculas slidas relativamente grandes suspendidas en un lquido pueden separar utilizando papel filtro o una centrifugadora. que se asientan con el tiempo, por la accin de la gravedad. Las suspensiones se

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Propiedades de las suspensiones. Las propiedades de las suspensiones estnrelacionadas con el tamao de sus partculas. El tamao de las partculas de las suspensiones es superior a 1000 nm, por lo tanto se pueden separar por filtracin (papel o membranas), son visibles a simple vista o con el microscopio ptico, y se mueven por la accin de la gravedad.

Suspensiones de importancia biolgica. En la naturaleza existe y en la industriase produce una gran variedad de suspensiones biolgicas, entre las cuales podemos citar algunos ejemplos: la sangre es una suspensin biolgica; los glbulos rojos y blancos se asientan con el tiempo o pueden ser separados del plasma por centrifugacin; en la inseminacin artificial de algunos animales se utilizan suspensiones concentradas de espermatozoos mviles; en la industria de alimentos industria farmacutica se preparan diversas frmacos en suspensiones. se utilizan suspensiones bacterianas en medios de cultivo; y en la

2.3 COLOIDES.

Las dispersiones coloidales o coloides, son mezclas heterogneas cuyas partculas son mayores que las molculas o iones que forman las soluciones verdaderas, pero ms pequeas que las partculas que forman las suspensiones. El tamao de las partculas coloidales oscila entre los lmites de 1 nm (10-7 cm.) y 1000 nm (10-4 cm.), por esto no pueden ser separadas por membranas.

MATERIAL EN REVISIN

2.3.1 CLASIFICACIN DE LOS COLOIDES. Existen ocho clases de coloides:Clase Lquido en lquido Lquido en slido Nombre emulsin emulsin slida Ejemplo leche, mayonesa queso, mantequilla, jaleas

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Lquido en gas Slido en lquido Slido en slido Slido en gas Gas en lquido Gas en slido plstica

aerosol lquido sol sol slido aerosol slido espuma espuma slida

niebla, nubes, protena en agua, gelatina en agua vidrio de colores, ciertas aleaciones humo, polvo en el aire crema batida, espuma de jabn, piedra pmez, espuma

MATERIAL EN REVISIN

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Tabla 6. Comparacin de algunas propiedades de soluciones, coloides y suspensiones

PropiedadTamao de la partcula Homogeneidad Filtracin Visibilidad Movimiento

SolucionesMenos de 1 nma Es homognea

Coloides1 a 1000 nm Est en el lmite

SuspensionesMs de 1000 nm Es heterognea Detenidas por filtros y membranas Visible a simple vista o en un microscopio ptico Tiene movimiento slo por la gravedad. Sedimenta Pueden ser opacas, a menudo translcidas

Accin de la gravedad Paso de la luz

MATERIAL EN REVISINNo sedimenta Puede sedimentar Pueden ser transparentes, a menudo translcidos u opacos Efecto de Tyndall Albmina Nubes Transparente, no presenta el efecto de Tyndall Sangre Talcos, polvos. La trayectoria de un rayo de luz que pasa a travs de una

Pasa a travs de Pasan a travs de filtros y membranas filtros pero no de membranas Invisible Visibles en un microscopio electrnico Movimiento Movimiento molecular Browniano

Ejemplos Salmuera Cotidianos Agua azucarada a 1 nanmetro (nm) = 10-9 m.

2.3.2 PROPIEDADES DE LOS COLOIDES Efecto Tyndall.

dispersin coloidal se hace visible debido a la dispersin de la luz por las partculas coloidales. Dos ejemplos bien notorios lo constituye la trayectoria de un rayo de sol en un recinto cerrado donde existen partcul