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Fundamentos de química

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Categoría: Fundamentos de química
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La Química es la ciencia que estudia la materia, su estructura, composición, propiedades y los procesos físicos y químicos que sufre, así como, los intercambios de energía que acompañan a estos procesos.
 
Se entiende por materia a todo cuerpo que tiene una masa y un volumen. Incluye desde los objetos más pequeños hasta las grandes estrellas del Universo.
 
La química se apoya en las matemáticas y la física para describir los procesos y es a su vez la base de multitud de ciencias como biología, geología, medicina…

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reaccion termitaLa materia es todo lo que tiene una masa y ocupa un espacio. La masa es la medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. La fuerza necesaria para acelerar un cuerpo aumenta con la masa de éste (segunda ley de Newton).
 
La energía es la capacidad de un sistema para realizar trabajo o transferir calor. Así, un cuerpo caliente tiene más energía que uno frío, y puestos en contacto, el calor fluye del cuerpo frío hacia el caliente. Un gas dentro de un cilindro a elevada presión, empuja el pistón hacia el exterior, realizándose un trabajo.
 
En los procesos químicos, es frecuente el intercambio de calor. Muchas reacciones químicas desprenden calor (cualquier combustión), son exotérmicas Sin embargo, otros procesos absorben calor del entorno, son endotérmicos. El proceso de vaporización del agua líquida es endotérmico ya que requiere un aporte de calor.
 
 
 

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combustion magnesioEn todo proceso físico o químico no se produce cambio en la cantidad de materia. Para una reacción química, la suma de las masas de los reactivos deben ser igual a la suma de las masas de los productos.
 
Consideremos la combustión de magnesio metálico. El magnesio arde con el oxígeno del aire para formar óxido de magnesio. El óxido de magnesio formado tiene una masa superior al magnesio metal. La diferencia de masa coincide con la masa de oxígeno empleado en la combustión.
 
Téngase en cuenta que una reacción nuclear no cumple la ley de la conservación de la materia, puesto que hay una conversión importante de materia en energía.
 
 

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Enunciado del principio de conservación de la energía: “La energía no puede crearse ni destruirse en una reacción química o proceso físico. Sólo puede convertirse de una forma en otra”
 
En las reacciones químicas se desprende energía, si son exotérmicas, y se absorbe en el caso de ser endotérmicas. Los reactivos de una reacción endotérmica, más una cierta cantidad de calor (energía) dan los productos. Puede demostrarse que la energía de los productos es igual a la suma de la energía que tenían los reactivos más el calor aportado.
 
La experiencia indica que en todo proceso físico o químico la energía se conserva, aunque puede pasar de unas formas a otras. La energía química puede convertirse en energía calorífica, luminosa, eléctrica, etc.

 

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 En los procesos nucleares la materia puede convertirse en energía. La relación entre una cierta masa y la energía a que equivale, viene dada por la ecuación de Einstein, E=mc2.
 
La energía liberada cuando la materia se transforma en energía, es igual al producto de la masa de la materia transformada por la velocidad de la luz al cuadrado. A escala microscópica se ha observado también la transformación de energía en materia. 
 
Enunciamos el principio de conservación de la materia y la energía como sigue: “La cantidad combinada de materia y energía en el universo es fija”.

 

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 estados materia solido liquido gasLa materia puede clasificarse en tres estados claramente diferenciados. 
En el estado sólido, las sustancias son rígidas, difíciles de deformar, presentan una dureza importante, y son poco compresibles. En sólidos cristalinos los átomos se disponen en posiciones definidas generando una estructura ordenada que se repite en el espacio. Un ejemplo de sólido cristalino es la sal común (NaCl), los átomos de sodio y cloro se disponen formando pequeños cubos que por repetición generan el cristal.
 
En el estado líquido, las partículas (átomos o moléculas) tienen libertad de movimiento y la sustancia adopta la forma del recipiente que la contiene. Los líquidos al igual que los sólidos son poco compresibles aunque se deforman sin esfuerzo alguno. Una sustancia en fase sólida tiene una densidad ligeramente mayor que en fase líquida. Existen excepciones como el caso del agua, el hielo es menos denso ya que flota sobre el líquido.
 
En fase gas, las sustancias son muy poco densas y ocupan todo el recipiente que las contiene. Los átomos o moléculas están muy separados y las interacciones son mucho menores que en fase sólida o líquida. Los gases son muy compresibles y su volumen depende mucho de la presión y temperatura.
 

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Cada sustancia tiene propiedades que permiten distinguirla de otras.   Estas propiedades pueden clasificarse en dos tipos: físicas y químicas.
 
Algunas propiedades físicas importantes son: la densidad, punto de fusión, punto de ebullición, conductividad eléctrica y térmica, dureza, color. Estas propiedades dependen del estado de agregación en el que se encuentra la sustancia (sólido, líquido o gas). La densidad del agua sólida y gas son muy diferentes.
 
Las propiedades químicas están relacionadas con la reactividad de cada sustancia. Una propiedad química del sodio es su reacción con el agua. Se trata de un proceso redox en el cual los protones del agua se convierten en hidrógeno y el sodio en catión sodio. El magnesio se oxida en presencia de oxígeno para dar óxido de magnesio, es una propiedad química del magnesio.

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Un cambio químico es un proceso en el que una o más sustancias se combinan para generar nuevos compuestos, con propiedades químicas diferentes a los reactivos de partida. Los procesos químicos llevan asociados intercambios de energía.
Un ejemplo de cambio químico es la combustión del magnesio. La reacción de magnesio y oxígeno forma una nueva sustancia, oxido de magnesio, cuyas propiedades físicas y química no se parecen ni al magnesio ni al oxígeno.
 
En los cambios físicos no cambia la composición química de las sustancias. El paso de agua sólida a líquida (fusión) es un cambio físico. Durante este proceso cambian las propiedades físicas del agua, pero no se transforma en otra sustancia, sigue siendo agua.
Los cambios físicos al igual que los químicos implican intercambios de energía. La fusión del agua es un proceso endotérmico y requiere un aporte de energía.

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granitoLas mezclas son combinaciones de sustancias puras. Cada sustancia conserva sus propiedades físicas y químicas en la mezcla. Por ejemplo, si echamos en un vaso 50 ml de metanol y 50 ml de agua se obtiene una mezcla, en ella tanto el metanol como el agua conservan sus propiedades. 
 
Cuando las propiedades de un mezcla no varían de un punto a otro, se llama homogénea. En las mezclas heterogéneas las propiedades cambian al ir moviéndonos por la disolución. La mezcla etanol-agua es homogénea, el aire formado por nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua es otro ejemplo de mezcla homogénea.
La mezcla de sal común y sacarosa (azúcar de mesa) sólidos, es heterogénea. Al movernos por la mezcla nos vamos encontrando en unos puntos con sacarosa y en otros con sal.
 
Las sustancias que forman una mezcla pueden separarse por métodos físicos, como son: destilación, extracción, cristalización, métodos que se basan en propiedades magnéticas de las sustancias, ect.
Así, una mezcla heterogénea de hierro y azufre puede separarse con un imán, basándonos en las propiedades magnéticas del hierro. El resultado de separar una mezcla es la obtención de sustancias puras, hierro puro y azufre puro.
La mezcla homogénea de agua y metanol se puede separar basándonos en los diferentes puntos de ebullición de ambos componentes. Esta técnica de separación se conoce como destilación. El resultado es la obtención de ambas sustancias que forman la mezcla separadas.

Lee más: Elementos, compuestos, sustancias y mezclas.

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patron de masaLa química se basa en la observación y experimentación, tratando de obtener una serie de resultados que en muchos casos se pueden expresar de forma numérica, permitiendo su comparación con los obtenidos en otras experiencias.
 
En toda observación y experimentación nos fijamos en aquellas propiedades que son susceptibles de comparación y que por tanto, podemos medir. Estas propiedades se denominan magnitudes.
 
Existe un pequeño grupo de magnitudes, llamadas fundamentales, a partir de las cuales se pueden obtener todas las demás. Estas magnitudes son: longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa.
 
El sistema internacional de unidades asigna a cada magnitud una unidad. El metro es la unidad de la longitud. Si al medir una distancia, se obtienen 20m significa que la longitud es 20 veces la unidad del sistema internacional.
 
Las definiciones de las unidades fundamentales en el sistema internacional, de acuerdo con las correspondientes resoluciones de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGMP), son las siguientes:
 
1.- Unidad de longitud. El metro es la distancia que recorre la luz en el vacío en 1/299.792.486 segundos. Aproximadamente 39,37 pulgadas. Un metro se divide en 100 centímetros y en 1000 milimetros.

Lee más: Sistema de medida en química

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La notación científica se emplea para expresar números muy grandes o muy pequeños. Por ejemplo, 18 gramos de agua contienen 602.300.000.000.000.000.000.000 moléculas de agua. En notación científica se puede expresar como 6,023 1023.

En notación científica el número 0.000005 se expresa como 5 10-6,
 

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Los resultados obtenidos en una medida no son exactos. Toda medida implica una estimación. Por ejemplo, supongamos que necesitamos medir un objeto con una regla graduada en milímetros. Al medir obtenemos un resultado comprendido entre 38 y 39 milímetros, estimamos que el objeto mide 38,5 milímetros. Este resultado tiene una parte exacta 38 y una parte que es estimada (aproximada) que es el última dígito 5. El número 38,5 mm contiene tres cifras significativas. El último dígito es dudoso, pero se considera como cifra significativa. Al dar el resultado de una medida incluimos un dígito aproximado, pero sólo uno.

A continuación utilizaremos una probeta para medir volúmenes de líquidos. A la derecha de la probeta se amplían las líneas de calibración. En la escala derecha nos movemos de 10 ml en 10 ml. La escala izquierda está graduada de modo que varia de mililitro en mililitro.

Lee más: Cifras significativas

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Al determinar el número de cifras significativas, no se tienen en cuenta los ceros utilizados para posicionar la coma. El número 0,0023, tiene sólo dos cifras significativas. El número 0,0000002354, tiene cuatro cifras significativas.
 
Escribiendo el número en notación científica se ven más claramente las cifras significativas: 2,3 10-3 y 2,354 10-7.
¿Cuántas cifras significativas tiene el número 2,300 105? La respuesta es cuatro cifras significativas; ¿Y 2,0300 10-20? La respuesta es cinco cifras significativas.

Lee más: Cálculos utilizando cifras significativas

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Supongamos que 8,56 es el resultado de una operación realizada con la calculadora.  Si el número de cifras significativas es sólo dos, deberíamos dar como resultado 8,5.  Pero como el tercer dígito es mayor de 5 se redondea a 6 el segundo dígito.  El resultado final es 8,6.

Cuando el número que se elimina es menor que 5, el dígito precedente no cambia.  En caso de que sea 5 el número que se elimina, se sustituye el dígito precedente por la cifra par más próxima.

Veamos ejemplos:
8,48 redondea a 8,5; 2,43 redondea a 2,4; 2,45 redondea a 2,4; 2,35 redondea a 2,4.

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La exactitud nos da el grado de concordancia entre el valor medido y el verdadero.

La precisión está relacionada con la reproductibilidad de las medidas.  Indica el grado de concordancia de varias medidas individuales.

Una balanza puede ser muy precisa, si al hacer varias medidas da siempre el mismo resultado.  Pero es inexacta, si ese resultado no concuerda con la realidad.  Por tanto, a los instrumentos de medida debe exigírseles que sean exactos y precisos al mismo tiempo.


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Los factores de conversión se basan en multiplicar por fracciones que tienen en numerador y denominador la misma cantidad pero en diferentes unidades.  Algunos ejemplos de factores unidad son los siguientes:



En los factores de conversión, las unidades nos guían  en los cálculos.  Todas las unidades se van cancelando hasta llegar al resultado buscado.

Veamos una aplicación de los factores de conversión: Sabiendo que un ergio equivale a 1 10-7 julios.  Convertir 3,74 10-2 ergios en julios.

La solución se puede obtener aplicando factores de conversión:

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La densidad se define como la masa por unidad de volumen.  Se obtiene dividiendo la masa de una muestra entre su volumen.



Las unidades más utilizadas son g/cm3,  g/ml y también g/l.  Dado que cada sustancia tiene una densidad única, se puede emplear este dato para identificar sustancias.

La densidad relativa relaciona la densidad de la sustancia con la del agua, ambas a la misma temperatura.



Hasta los 25ºC podemos tomar como densidad del agua 1g/ml.  Por tanto, a temperatura ambiente la densidad de una sustancia coincide con su densidad relativa.  A temperaturas más elevadas la densidad del agua discrepa de 1g/ml y dejan de coincidir ambas magnitudes.

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El calor es una forma de transferencia de energía, que se produce en virtud de una diferencia de temperaturas.  El flujo de calor siempre se produce desde el cuerpo caliente hacia el frío.

La temperatura de un cuerpo puede medirse con termómetros de mercurio, que consisten en un depósito para el mercurio unido a un capilar.  Al calentarse el depósito el mercurio se expande por el capilar.  A mayor temperatura se observa una mayor subida del mercurio.

Para poder medir temperaturas es necesario contar con una escala de temperaturas.  El astrónomo sueco Anders Celsius desarrolló la denominada escala Celsius de temperatura.  Toma como puntos de referencia la fusión del agua, a la que asigna 0º Celsius, y su punto de ebullición a presión atmosférica, al que asigna 100º Celsius.  Entre estos puntos hay cien divisiones, cada una representa un grado Celsius.

Una escala de temperaturas muy utilizada en Estados Unidos, es la Fahrenheit.  En esta escala los puntos de congelación y ebullición del agua se toman como 32ºF y 212ºF.

Lee más: Escalas de temperatura

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