QUIMICA GENERAL E INORGANICA

Clase 1 Generalidades

La química es una ciencia natural mediante la cual el hombre estudia la composición y el comportamiento de la materia, así como la relación de ésta con la energía

-Mejorar la calidad de vida de las personas. -Materiales como plásticos , pinturas o detergentes; medicamentos como la penicilina, los antiácidos o la insulina, y máquinas como los refrigeradores o los motores de combustión interna,

-Siglo VI a. de C. Grecia primeras teorías sobre composición de la materia, filósofos como Tales de Mileto (625-545 a. de C.) y Anaximandro (611-547 a. de C.). -Ideas retomadas por Aristóteles (383-322 a. de C.) en la teoría de los cuatro elementos, según la cual, tierra , agua, aire y fuego, al combinarse conformaban la materia y definían las cualidades fundamentales de los cuerpos. -Siglo V a. de C., Demócrito y Leucipo propusieron que la materia estaba compuesta por unas partículas mínimas indivisibles, átomos.

-Primeras manifestaciones : cocción de alimentos y metalurgia. -Año 1200 a. de C. egipcios y babilonios maestros en el manejo del vidrio y de metales (el oro, la plata y el hierro.)

1.-La química a través la historia

La alquimia (500-1600 d. de C.)

Resultado de la fusión entre el dominio técnico de los egipcios y la elaboración teórica y filosófica de los griegos, surgió la alquimia. Los alquimistas : búsqueda de la piedra filosofal, compuesto mágico que podía transformar los metales en oro, así como proporcionar la eterna juventud.

Desarrollaron y perfeccionaron diversos instrumentos y métodos, como alcohol, baño de María, alambique, destilación y sublimación (fi gura 2).

Para los hombres de ciencia del siglo XVIII, la teoría de los cuatro elementos ya no era suficiente

Surgimiento de la química moderna

-Época en la que todo debía ser medido , pesado y comprobado. -Representante más destacado de esa tendencia, químico francés Antoine Lavoisier (1743-1794), sentó las bases de la química moderna, al establecer que la materia no se crea ni se destruye, sino que se transforma, -Demostró que el aire, el agua y el fuego no eran elementos.

Siglos XIX y XX

Durante el siglo XIX la investigación en química se centró en dilucidar la naturaleza de la materia. -John Dalton (1766-1844) presenta la primera propuesta consistente sobre la estructura atómica. -Ernest Rutherford (1871-1937) complementa la propuesta de Dalton(fi gura 3), El átomo se compone de partículas más pequeñas y no es indivisible, como lo indica su nombre. -Niels Bohr (1885-1962) propone el sistema planetario del átomo, modelo precursor del aceptado actualmente

Dimitri Mendeleiev (1834-1907) organiza la tabla periódica de los elementos, con base en sus pesos atómicos.

El siglo XX -En 1905, Albert Einstein (1879-1955) presenta la teoría de la relatividad, sacude las bases teóricas de la física y la química.

-Marie y Pierre Curie estudian el fenómeno de la radiactividad y descubren dos nuevos elementos: el radio y el polonio

Segunda mitad del siglo XX -Estudio de las partículas subatómicas y la fabricación sintética de diversos materiales, como los plásticos y los superconductores.

-Investigaciones en genética y biología molecular. -En 1953, Francis Crick y James Watson (fi gura 4) resuelven la estructura tridimensional de la molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico), base para comprensión del lenguaje de la vida. -En 1996, es presentado el primer organismo clonado (fi gura 5). -Conflicto ético relacionado con el papel de la ciencia en la sociedad

2.-La medición

Los químicos caracterizan los procesos e identifican las sustancias mediante la estimación de ciertas propiedades particulares de estos. Para determinar muchas de esas propiedades es necesario tomar mediciones físicas.

Medir es comparar la magnitud física que se desea cuantificar con una cantidad patrón que se denomina unidad (figura 9). El resultado de una medición indica el número de veces que la unidad está contenida en la magnitud que se mide.

2.1.-Las magnitudes físicas

2.1.1-Magnitudes físicas: Aquellos rasgos que pueden ser medidos. Existen dos tipos de magnitudes físicas: ■ Magnitudes fundamentales: no dependen de ninguna otra medida, expresan simplemente el número de veces que está la unidad patrón en lo que se desea medir, ejemplo la masa, la temperatura o la longitud (fi gura 10).

■ Magnitudes derivadas: se expresan como la relación entre dos o más magnitudes fundamentales (fi gura 11). Ejemplo, la densidad indica la cantidad de masa presente en una cierta unidad de volumen

3.-Equivalencia entre unidades

En química empleamos unidades muy pequeñas, ejemplo expresamos la masa en gramos o miligramos (mg), o la longitud en micras (m) o nanómetros (nm). Para transformar unas unidades en otras equivalentes está el empleo de múltiplos y submúltiplos de las respectivas unidades. Ejemplo, transformar 5 metros en centímetros, Debemos saber que un metro equivale a 100 centímetros y por lo tanto los 5 metros equivalen a:

Resuelve los siguientes problemas con ayuda de las tablas proporcionadas. 1. Expresa en unidades del SI el valor de las siguientes medidas: 2,5 km, 2.500 nm, 250 g, 30 mm. 2. El año luz es una unidad muy empleada en astronomía y se define como la distancia que recorre la luz en un año. Determina su equivalencia en el SI. 3. Indica en qué múltiplos o submúltiplos de unidades medirías las siguientes cantidades para evitar números demasiado grandes o pequeños: • El volumen de un vaso de agua. • La distancia entre dos estrellas. • La cantidad de agua contenida en un embalse. • El tamaño de un átomo.

4.- Temperatura y calor

La temperatura de un cuerpo se define como una magnitud que mide la energía promedio de las moléculas que constituyen ese cuerpo.

El calor corresponde a la medida de la energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperatura que existe entre ellos (fi gura 13).

La temperatura de un cuerpo es independiente de su masa, porque solo depende de la velocidad y la masa de cada una de sus moléculas

4.1 Unidades de cantidad de calor

Calor : una forma de energía, que se transfiere de una sustancia a otra en virtud de una diferencia de temperatura. Se puede determinar la cantidad de calor midiendo el cambio de temperatura de una masa conocida que absorbe calor desde alguna fuente. En el SI el calor se mide en julios, que es una unidad de energía, no obstante, la caloría es más comúnmente empleada en todo el mundo (figura 14).

Una caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5° a 15,5°, equivale a 4,184 julios. kilocaloría, equivale a 1.000 calorías.

4.2 Medición de la temperatura

Es un capilar terminado en un bulbo que contiene el líquido que se dilata; está cubierto por un tubo externo que contiene la escala numérica. El termómetro es un instrumento diseñado para medir la temperatura valiéndose de la expansión y contracción de un líquido, que generalmente es mercurio.

El termómetro

Escalas termométricas

Para definir una escala se establecen arbitrariamente dos puntos de referencia que indican los extremos de la escala. La distancia entre estos puntos se divide entre un número definido de partes a las que se llama grados (fi gura 15).

Escalas termométricas

■ Escala Celsius o centígrada (°C). puntos de referencia los puntos de congelación y de ebullición del agua, asignando un valor de cero al primero y de 100 al segundo. En esta escala son posibles las temperaturas negativas, correspondientes a valores por debajo del punto de congelación del agua. ■ Escala Kelvin o absoluta (K). Con el fin de evitar el empleo de valores negativos de temperatura, Lord Kelvin sugirió emplear como punto de inicio de la escala un valor conocido como cero absoluto, que corresponde a una temperatura de 273 °C, en la cual la energía cinética de las partículas es ínfima y por lo tanto corresponde a la temperatura más baja que se puede lograr. El tamaño de los grados en las escalas Kelvin y Celsius es el mismo, lo cual facilita la conversión de valores entre una y otra

■ Escala Fahrenheit (°F). Empleada en Estados Unidos ; al punto de congelación del agua se le asigna un valor de 32° y al de ebullición, 212°. Esto quiere decir que la diferencia de temperatura entre los dos puntos de referencia se compone de 180 partes o grados. El tamaño relativo de un grado centígrado o Kelvin es mayor que el de un grado Fahrenheit. ■ Escala Rankine (°R). El intervalo entre el punto de congelación y de ebullición del agua es igual al intervalo que existe entre estos puntos en la escala Fahrenheit (180°). La diferencia está en que el punto de congelación del agua se marca como 492°, mientras que el punto de ebullición se señala como 672°; el cero absoluto de esta escala corresponde al cero absoluto de la escala Kelvin. La escala Rankine es muy empleada en el campo de la ingeniería (fi gura 16).

Conversiones entre escalas de temperatura

El tamaño de un grado centígrado es el mismo que para un Kelvin, por consiguiente para transformar grados centígrados a Kelvin basta con adicionar 273 al valor dado en centígrados. En forma general : K = °C + 273 proceso contrario °C = K- 273 Relación entre las escalas centígrada y Fahrenheit. 100 divisiones en °C equivalen a 180 divisiones en °F o bien 5 divisiones en °C equivalen a 9 divisiones en °F (esto se consigue dividiendo los dos números entre 20). Debido a que el punto de congelación del agua es 32 °F, debemos hacer la corrección necesaria adicionando 32° correspondientes a la diferencia que existe entre las dos escalas, es decir, que la expresión final será:

Relación entre la escala centígrada y la Kelvin

EJEMPLOS 1. Convertir 37 °C en Kelvin. Empleando la fórmula anterior, tenemos: K = °C + 273 K= 37 °C + 273 K = 310 2. Convertir 20 °C a °F. Aplicando °F = 1,8 . 20 °C + 32 tenemos que °F = 68 3. Convertir 40 °F a K. Aplicando: °F = 1,8 °C +32 ⇒ °F-322 /1,8 = °C °C= 4,4 Luego Luego K =°C + 273 = 4,4+ 273= 277,4

PROBLEMAS PROPUESTOS 1. El alcohol etílico hierve a 78,5 °C. Expresa esta temperatura en Kelvin. 2. La temperatura producida por un arco eléctrico es de 25.600 °F, mientras que un soplete de acetileno alcanza una temperatura de 3.500 °C. ¿Cuál de los dos instrumentos reporta una temperatura mayor?

1.-El Sistema Internacional de Unidades permite estandarizar las mediciones. Sin embargo, fuera del Peru encuentras datos de mediciones en otras unidades. Por ejemplo, en Miami observas letreros como: 70 millas/hora y 80 °F. ¿Cómo interpretas estos valores?

2.-El alcohol etílico hierve a 78,5 °C y se congela a 117 °C a una atmósfera de presión. Convierte estas temperaturas a la escala Kelvin. 3.- Si un termómetro en la escala Fahrenheit marca 32 °F, ¿qué valor marcará un termómetro en la escala Celsius a esta misma temperatura?

En el siguiente diagrama se presentan algunas materias primas, compuestos intermedios y productos de uso cotidiano, que se obtienen a partir de procesos generados en la industria química.

a) Responde. ¿Cuáles son las ventajas y cuáles las desventajas de la obtención de estos productos? b) Consulta acerca de los diferentes campos de acción de la química en nuestro país.

Clase 2. Materia y energía