Fundamentos de la Química: Materia, Energía y Mediciones

Fundamentos de Química

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La química estudia la materia y los cambios que ella experimenta.

1. La materia es cualquier cosa que ocupa un espacio y que tiene masa.
2. Una sustancia es una forma de materia que tiene una composición definida y propiedades características.

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Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias, en la cual cada una de ella conserva sus propiedades características.

1. Mezcla homogénea: la composición de la mezcla es la misma en toda la disolución (ejemplos: bebida, leche, soldadura).
2. Mezcla heterogénea: la composición no es uniforme en todas partes (ejemplos: cemento, virutas de hierro en arena).

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Los medios físicos pueden usarse para separar una mezcla en sus componentes puros (ejemplos: imán, destilación).

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La energía es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo, la cual se manifiesta produciendo un cambio o una modificación en los cuerpos. El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras.

Estados de la materia

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Plasma: materia formada por átomos o pequeñas moléculas gaseosas en forma de iones.

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Un elemento es un tipo de materia que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos. Se han identificado 118 elementos: 83 elementos se encuentran en forma natural en la Tierra (ej.: oro, aluminio, plomo, oxígeno, carbono) y 35 elementos se han obtenido por medios científicos (ej.: tecnecio, bohrio, ununium).

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Un compuesto es una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas. Los compuestos sólo pueden separarse en sus componentes puros (elementos) por medios químicos. Ejemplos: Agua (H₂O), Glucosa (C₆H₁₂O₆), Amoniaco (NH₃).

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Los símbolos químicos son los distintos signos abreviados que se utilizan para identificar a los elementos.

SÍMBOLO QUÍMICO

La mayoría de los símbolos químicos se derivan de las letras del nombre del elemento, principalmente en latín, pero a veces en inglés, alemán, francés o ruso. La primera letra del símbolo se escribe con mayúscula, y la segunda (si la hay) con minúscula.

FÓRMULA QUÍMICA

Expresión que muestra la composición química de un compuesto en términos de los símbolos de los elementos implicados (ejemplos: H₂SO₄, NaOH, CuSO₄).

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Clasificación de la materia

Materia (materiales) → Sustancia / Mezcla

Sustancia → Elemento / Compuesto

Mezcla → Mezcla homogénea (soluciones) / Mezcla heterogénea

Procesos físicos / Reacciones químicas

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¿Física o química?

Una propiedad física no altera la composición o identidad de la sustancia (ejemplos: fusión de hielo, azúcar disuelta en agua). Una propiedad química altera la composición o identidad de la(s) sustancia(s) involucrada(s) (ejemplo: El hidrógeno se quema en presencia del aire para formar agua).

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Materia: cualquier cosa que ocupa un espacio y tiene masa.
Masa: medida de la cantidad de materia. La unidad SI de masa es el kilogramo (kg). 1 kg = 1000 g = 1 x 10³ g
Peso: fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto. peso = g x masa
sobre la Tierra, g = 1.0
sobre la Luna, g ~ 0.1
1 kg sobre la Tierra
0.1 kg sobre la Luna

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Tabla 1.2 Unidades SI básicas

Cantidad fundamental Nombre de la
unidad
Símbolo
Longitud metro m
Masa kilogramo kg
Tiempo segundo s
Corriente eléctrica ampere A
Temperatura kelvin K
Cantidad de sustancia mol mol
Intensidad luminosa candela cd
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Tabla1.3 Prefijos utilizados con unidades SI
Prefijo Símbolo Significado
Tera- T 1012
Giga- G 109
Mega- M 106
Kilo- k 103
Deci- d 10-1
Centi- c 10-2
Mili- m 10-3
Micro- µ 10-6
Nano- n 10-9
Pico- p 10-12
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Volumen: la unidad de volumen derivada del SI es el
metro cúbico (m3).
1 cm3 = (1 x 10-2 m)3 = 1 x 10-6 m3
1 dm3 = (1 x 10-1 m)3 = 1 x 10-3 m3
1 L = 1000 mL = 1000 cm3 = 1 dm3
1 mL = 1 cm3
Matraz volumétrico
1 Litro
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Densidad: La masa que existe en una unidad de
volumen; la unidad derivada del SI para la
densidad es el kg/m3
1 g/cm3 = 1 g/mL = 1000 kg/m3
densidad =
masa
volumen
d =
m
V
Un pedazo de metal de platino con una densidad de
21,5 g/cm3 tiene un volumen de 4,49 cm3. ¿Cuál es
su masa?
d =
m
V
m = d x V = 21,5 g/cm3 x 4,49 cm3 = 96,5 g
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K = 0C + 273,15
0F = x 0C + 32
9
5
273 K = 0 0C
373 K = 100 0C
32 0F = 0 0C
212 0F = 100 0C
Comparación de las tres escalas de temperatura
Punto de
ebullición
del agua
Temperatura
corporal
normal
Punto de
congelación
del agua
Temperatura
ambiente
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Convertir 172,9 0F a grados Celsius.
0F = x 0C + 32
9
5
0F 32 = x 0C
9
5
x (0F 32) = 0C
9
5
0C = x (0F 32)
9
5
0C = x (172,9 32) = 78,3
9
5
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La gravedad específica: es definida como la relación de la
densidad con la del agua destilada a 4ºC.
El calor específico: número de calorías requerido para
aumentar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en
1ºC. En los líquidos, el calor específico a presión
constante, Cp, es una propiedad usualmente medible,
aunque en algunos casos, se debe conocer el calor
específico a volumen constante, Cv.
El calor es la transferencia de energía entre diferentes
cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se
encuentran a distintas temperaturas. Este flujo ocurre
desde el de mayor temperatura hacia el de menor
temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que
se de un equilibrio térmico.
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Se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor
que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia
para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado
Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula) C.
donde m es la masa de la sustancia.
Una caloría es la energía necesaria para elevar la
temperatura de un gramo de agua destilada de 14,5ºC a
15,5ºC a nivel del mar (una atmósfera de presión). Una
kilocaloria (abreviada como kcal) es igual a 1000 cal. Una
caloría es equivalente a 4,1855 J.
Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica
específica, esto es:
La intensidad de calor (relacionada con la velocidad del
movimiento molecular) se mide por el grado o nivel del calor
que tiene un cuerpo determinado. Arbitrariamente se
determina dicho nivel de calor con la temperatura. Se dice
que un cuerpo con gran velocidad molecular tiene más
temperatura o más nivel de calor que otro.
La cantidad de calor de un cuerpo es la suma de las
energías térmicas de todas las moléculas que lo componen.
Es decir, mientras la intensidad de calor o temperatura
indica el grado de movimiento molecular o el nivel de calor
de un cuerpo, esta magnitud señala su contenido total de
calor.
Calor sensible y calor latente.
calor sensible es un estado calórico cuya variación de nivel
puede determinarse mediante un termómetro. Se representa
por la fórmula:
Q = m.ce.(T°f - T°i )
Q: cantidad de calor entregada o recibida por un cuerpo (Kcal)
m: masa del cuerpo (Kg)
Ce: calor específico de la sustancia (Kcal/Kg.°C)
T °i temperatura inicial del cuerpo (°C)
T °f temperatura final del cuerpo (°C)
Ejemplo 1: Al calentar 1 kg de agua de 10 a 100 °C. ¿Qué
cantidad de calor sensible se le ha agregado?
Q = m.Ce.(t°f - t°i)
Q = 1 kg.(1 kcal/kg.°C).(100 °C - 10 °C)
Q = 90 kcal
Cuando se tiene agua en ebullición, durante todo el proceso, la
temperatura se mantiene constante en los 100 °C, aunque se
le agregue calor continuamente.
Al calor agregado a una sustancia que no origina cambio de
nivel térmico o temperatura, se le denomina calor latente, o
sea, como su nombre lo indica, ese calor se encuentra latente,
y se consume en la acción de transformación física.
Q = m.Cvl
Donde: Cvl es el calor latente de vaporización (kcal/kg)
Cvl del agua (100 °C): 539 kcal/kg
Cfl del agua (0 °C): 80 kcal/kg
Ejemplo: Qué cantidad de calor será necesaria para calentar el
agua de una pileta que contiene 25000 litros de agua, si se
desea aumentar su temperatura de 20 °C a 30 °C?
Q = m.Ce.T
m = 25000 l = 25000 Kg T °i = 20 °C T °f = 35 °C
Ce = 1 Kcal/kg.°C
Q = 25000 Kg.(1 Kcal/Kg.°C)x(30 °C - 20 °C)
Q = 25000 Kg.1 (Kcal/Kg.°C). 10 °C = 250000 Kcal
Qué tiempo se necesitará para entregar estas calorias al agua
si se emplea gas natural? Poder calorífico del gas = 8000
Kcal/h. (8000 Kcal 1 h)
t = 250000 Kcal.1 h/8000 Kcal = 31.25 h
Ejemplo: Si mezclamos 1 L de agua a 92°C con 0,5 L de
agua 20°C, qué temperatura alcanzará la mezcla?
m1.ce.(-Tf + Ti1) = m2.ce.(Tf - Ti2)
-m1.ce.Tf + m1.ce.Ti1 = m2.ce.Tf - m2.ce.Ti2
m2.ce.Ti2 + m1.ce.Ti1 = m2.ce.Tf + m1.ce.Tf
ce.(m2.Ti2 + m1.Ti1) = (m2 + m1).ce.Tf
(m2.Ti2 + m1.Ti1)/(m2 + m1) = Tf
(1 l.92 °C + 0,5 l.20 °C)/(1 l + 0,5 l) = Tf
Tf = 102 l.°C/1,5 l
Tf = 68 °C