INTRODUCCIÓN: LAS HERRAMIENTAS DE LA QUÍMICA

1. INTRODUCCIÓN:LAS HERRAMIENTAS DE LA QUÍMICA IES “Pando· Departamento de Física y Química Química ESO Capítulo 1

2. Las Ciencias Químicas “QUÍMICA es la ciencia de las moléculas y sus transformacio nes. Es la ciencia de poco más de un centenar de elementos, pero también de una variedad infinita de moléculas que de ellos se pueden derivar” Dr. Roald Hoffmann (Nobel, 1981; Priestley, 1990) • La Química es una ciencia eminentemente experimental: • La Química es una ciencia interdisciplinaria: • Ingenierias (tecnología y desarrollo industrial), • Biología (bioquímica, medicamentos …), • Agricultura (fertilizantes, pesticidas, …), etc. Observación Representación Interpretación

3. La industria química La Química es única entre las ciencias en su estrecha vinculación con la ingeniería y la industria. No hay una industria física, o una industria biológica, pero hay una enorme y bien establecida industria química. Los productos de la investigación química son una parte vital tanto de las economías nacionales como del mercado internacional.

4. La Química y sus vinculaciones Las principales revoluciones científicas de la actualidad Unión de extremos Agroquímica Corte de gen de insulina Ruptura DNA DNA con gen de insulina insertado plasmido Bacteria con DNA recombi- nante insertado E.coli reproducidas por clonación, compiando el DNA recombinante Bacteria E. Coli Biotecnología microelectrónica

5. Fibras sintéticas investigación minerales Productos domésticos polímeros

6. Superconductores (YBa2Cu3O7 ; 1986) M A T E R I A L E S D E L F U T U R O Nanotubos (C, 1998)

7. MATERIA (sólido, líquido, gas) Cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa Materia homogénea: Composición uniforme a los límites de detección. Materia heterogénea: No hay composición uniforme. Fisicamente separable en Sustancia pura: Composición fija y sin purificación ulterior. Soluciones:mezclas homo- géneas con variaciones posibles de composición Físicamente separable en Compuestos: Elementos unidos en relaciones fijas Químicamente separable en Elementos: Unidades indivisibles por cambios físicos o químicos. Combinados quimi- camente para formar

8. Niveles de observación gas líquido sólido La molécula H O H2O Los átomos

9. Cinc en polvo (Zn) Azufre en polvo (S) Sustancias puras Mezcla de ambos polvos (Zn+S) Compuesto de sulfuro de cinc (ZnS)

10. azufre imán cinc Zn mezcla S La mezcla de S y Zn ilustra el concepto de mezcla heterogénea. Las propiedades magnéticas de Zn permiten la separación física de ambas sustancias puras. Varias otras propiedades fisico-químicas de las sustancias puras se pueden usar para separarlas de sus mezclas por métodos físicos.

11. Torre de destilación chimenea solución salina Platos de destilación condensador agua caliente caldera agua fría matráz mechero agua pura

12. Representación molecular de compuestos agua Gas oxígeno Gas hidrógeno H2 O2 O3 ¿separación o descomposición? electrodos Fuente de poder H2O NH3 CH4 aluminio hierro otros otros hidrógeno calcio silicio oxígeno oxígeno Corteza terrestre Cuerpo humano

13. N2 Un cambio físicoUna flor puesta en contacto con N2 líquido (-196o C). La flor se congela y se hace quebradiza, pero sigue siendo una flor desde el punto de vista químico ya que su composición química no cambia. Br2 2Al + 3Br2 2AlBr3 Al Un cambio químicoLa reacción de aluminio con bromo produce una nueva especie,bromuro de aluminio (AlBr3). La composición química ahora ha cambiado.

14. Pre-evaluación 1 • Diga, en cada caso, si la propiedad indicada es física o química. • El color normal del bromo es pardo profundo. • El hierro se transforma en herrumbre en presencia de aire y humedad. • La dinamita puede explotar cuando interactua con el oxígeno. • La densidad del metal uranio es de 19.07 g/cm3. • Decida si cada enunciado refleja una teoría o una ley. • El comienzo del universo ocurrió como un gran estallido. • En todo proceso químico, la materia nunca se pierde, ésta se conserva. • Señale, en cada caso, cual es información cualitativa y cual cuantitativa • Unsólido púrpura tiene una masa de 1.25 g. • 25 mLde una solución azulreacciona con 25 mL de una incolora. • Indique si cada propiedad señalada es intensiva o extensiva. • El punto de fusión del sodio metálico es de 98ºC. • Un experimento químico requiere 250 mL de agua. • La densidad del oro es de 19.3 g/cm3.

15. Unidades de Medida • Muchas propiedades de la materia son cuantitativas, esto es, están asociadas con las cifras. • Cuando una cifra representa una cantidad medida, las unidades de esa cantidad deben estar especificadas. • Las unidades que se utilizan para las mediciones son las del sistema métrico, originalmente desarrollado en Francia a fines del siglo XVIII. • En 1960 se aprobó un acuerdo internacional de estandariza ción que especifica las unidades métricas básicas a utilizar por toda la comunidad científica mundial. • Las unidades bajo este sistema se denominan unidades SI.

16. Unidades Básicas del Sistema Internacional (SI) Magnitud física Nombre de la unidad Abreviación

17. Prefijos Utilizados en el Sistema Métrico Prefijo Abrev Signif. Ejemplo

18. Conversión de unidades de longitud • Centímetros a metros: consideremos un tiro de bala de 585 cm, ¿qué longitud es ésta en metros? ¿cuál será su equivalencia en pies (feet)?. necesitamos establecer la relación entre centímetros y metros,1m =100cm Por tanto: factor de conversión De tablas sólo se encuentran las relaciones: 1 in = 2.54 cm y 1 ft = 12 in, así que: o bien:

19. Conversión de unidades de longitud • Distancias a nivel molecular: La distancia entre el átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno en la molécula de agua es de 95.7 pm. ¿A qué equivale esta distancia en metros y en nanómetros?. En cada caso necesitamos los factores de conversión de picómetros a la unidad deseada: La conversión a nanómetros será: 95.7 pm O H H

20. Unidades Comúnmente Usadas Derivadas de las UnidadesSI Magnitud Unidad Símbolo Definición

21. Area y Volumen.- Son unidades derivadas de la SI básica de longitud volumen : Area : 10 cm x 10 cm 100 cm2 1 d2 volumen

22. Algunos Equipos Comunes de Laboratorio Bureta pipeta probeta matráz aforado

23. Pre-evaluación 2 • El tamaño de una hoja estándar de papel bond es de 81/2 x11 in, ¿cuáles son las dimensiones en cm?. • Para un experimento cromatográfico, usted requiere una columna de 30 pies de longitud y 1/16 de pulgada de diámetro, ¿qué medidas son éstas en m y mm?. • Un automovil Saab tiene un compartimiento de equipaje de dimensiones 100cm x 100cm x 150cm, ¿cuál es su volumen en cm3 y en litros?. • Complete la tabla siguiente. Miligramos gramos kilogramos --- 0.693 --- 156 --- --- --- --- 2.23 • Un vaso de precipitados típico tiene un volumen de 800 mL, ¿cuál es su volumen en litros, en cm3 y en m3?. • Si usted requiere utilizar 26.37 cm3 de una solución, ¿qué volumen en mL debe medir?, ¿qué tipo de material usaría para medirlo, y por qué?.

24. Masa y peso. Términos usados indistintamente para un mismo propósito, pero que difieren en un significado físico estricto:masa de un cuerpo - medida fundamental de la cantidad de materia en el cuerpo.peso del cuerpo - fuerza ejercida (gravitacional) sobre un cuerpo por otro y que depende de la cantidad de materia en los dos cuerpos.La unidad de masa en el sistema SI es el kilogramo (kg), pero en química la más usual es el gramo (g), por lo que el factor será:1 kg = 1000 g y también 1g = 1000 mgdensidad - es la relación de la masa de un objeto (g) a su volumen (cm3):

25. picnómetro balanza Determina la masa contenida en un volumen definido: la densidad. A C C E S O S muestra termómetro platillo tapón lector digital aforo panel control volumen Sustancia g/cm3 aire 0.001 madera 0.16 agua 1.00 sal 2.16 hierro 7.9 oro 19.32 La masa de un cuerpo se determina balanceando su peso (wo = mog) frente al peso de una masa de referencia conocida (wr = mrg).

26. Temperatura. Propiedad de la materia que determina la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo a otro y la dirección de la transferencia. Punto de ebullición del agua Temperatura corporal Temperatura ambiente T = 25 0C T = 25 K T = 45 0F Punto de congelación del agua

27. Pre-evaluación 3 • Un químico necesita 2.00 g de un compuesto líquido. (a) ¿Qué volumen del compuesto es necesario si la densidad del líquido es de 0.718 g/cm3? (b) Si el costo del compuesto es de $2.41/mL, ¿cuál es el costo del reactivo?. • La densidad de una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) al 38.08% es de 1.285 g/cm3. ¿Cuántos gramos de ácido hay en 500 mL de la solución ácida?. • Suponga que a 20ºC la densidad del mercurio (Hg) es 13.1 g/cm3 y la del agua (H2O) de 0.98 g/cm3. ¿Cuántos mL de agua tienen un peso equivalente de Hg? • El titanio (Ti) es usado en aplicaciones industriales en donde es importante un punto de fusión elevado. El del Ti es de 3020ºF, ¿a cuánto equivale en ºC y K?. • El neón es un elemento usado en anuncios luminosos, tiene un punto de fusión de -248.6ºC y uno de ebullución de -246.1ºC. Exprese estos valores en ºF y K. • Complete la tabla siguiente: ºF ºC K 57 37 77

28. Incertidumbre en la Medición En el trabajo científico se reconocen dos clases de números: Números exactos: sus valores se conocen exactamente; y Números inexactos: sus valores tienen alguna incertidumbre. Los números obtenidos por medición siempre son inexactos, debido a errores de equipo o a errores humanos. Dos términos se usan para expresar la incertidumbre: Precisión: es una medida de qué tan cerca concuerda una medición con cada una de las otras. Exactitud: qué tan cerca concuerdan las mediciones individuales con el valor real o verdadero. En general, cuanto más precisa sea una medición, más exacta será. Buena exactitud Buena precisión Pobre exactitud Buena precisión Pobre exactitud Pobre precisión

29. Cifras Significativas En el laboratorio nos preocupamos por obtener resultados que sean razonables. Algunos datos colectados suelen ser más precisos que otros. Es un hecho de sentido común que, la respuesta a un cálculo no se puede conocer con más precisión que el último dígito preciso de información. De aquí viene el concepto de cifra significativa. Todos lo dígitos, incluido el incierto, se llaman cifras significativas y su número indica la precisión de una medición ¿Cuál es la diferencia entre 4.0 y 4.00?

30. Reglas para el manejo correcto de cifras significativas. • Todos los dígitos que no sea cero son significativos: 457 cm (tres c.s.); 0.25 g (dos c.s.). • Los ceros entre dígitos diferentes de cero son significativos: 1005 kg (cuatro c.s.); 1.03 lb (tres c.s.). • Los ceros a la izq. del 1er dígito diferente de cero en un número, no son significativos y sólo indican la posición del punto decimal: 0.02 mm (una c.s.); 0.0026 m (dos c.s.). • Los ceros que están tanto al final de un número como a la derecha del punto decimal, son significativos: 0.0200 ml (tres c.s. ¡¡¡3!!!); 3.0 km (dos c.s.). • Cuando un número termina en ceros y no están a la derecha de un punto decimal, los ceros no son necesariamente significativos: 130 pesos (dos o tres c.s.); 10,300 usd (tres, cuatro o cinco c.s.).

31. Reglas para el manejo correcto de cifras significativas. • La notación exponencial evita la ambigüedad de la regla 5: 1.03 x 104 usd (tres c.s.) 10,300 usd 1.030 x 104 uds (cuatro c.s.) 1.0300 x 104 usd (cinco c.s.) Todas las c.s. se escriben antes del exp., el cuál no aumenta el núm. de c.s. • En los cálculos, la precisión del resultado está limitada por la medición menos precisa. • En la multiplicación y en la división, el resultado se debe reportar con el número de c.s. de la medición con el menor núm de ellas. • Cuando el resultado contiene más cifras que el número correcto de cifras significativas, se debe redondear. Area = (6.221 cm)(5.2cm) = 32.3492 cm232 cm2. se redondea a

32. Pre-evaluación 4 • ¿Cuál es la masa promedio de tres muestras cuyas masas individuales son 10.3 g, 9.334 g y 9.25 g?. • Haga el cálculo siguiente y de el resultado con el número correcto de cifras significativas: • Resuelva la siguiente ecuación para n y reporte el resultado con las cifras significativas correctas: • Una moneda antigua de oro (Au) tiene un diámetro de 2.2 cm y un espesor de 3.00 mm. Si la densidad del Au es de 19.3 g/cm3, ¿cuál es la masa en gramos de la moneda?. Si suponemos que el precio del Au es de 410 uds por onza troy (1 oz-troy = 31.10 g), ¿cuál sería el costo de la moneda?.