Índice Índice CAPÍTULO CAP ÍTULO 1: TEORÍA ATÓMICA 1. Historia Historia de d e la química 1.1 Teoría atómica a tómica 1.1.1 T eoría atóm ica de Dalton 1.1.2 Modelo atómico de Thomson 1.1.3 Modelo Mod elo atómico de Rutherford 1.1.4 Modelo Modelo atómico de Bohr 1.1.5 Modelo Mod elo mecánico cuántico 2. Término Términos s en teoría at ómic ómica a 2.1 Número atómico atóm ico (Z) 2.2 Número másico m ásico (A) 2.3 Número de neutrones (n°) 2.4 Elemento químico 2.5 Unidad másica atómica (UMA) 2.6 Carga eléctrica 2.7 Carga nuclear 3. Tipos Tipos de át omos 3.1 Isótopos Isótop os 3.2 Isóbaros 3.3 Isótonos Isó tonos 4. Núme Números ros cuánt icos 4.1 Número cuántico p rincipal (n) 4.2 Número Número cuántico secundario () 4.3 Número Número cuántico magnético (m) 4.4 Número cuántico de spin (s) 5. Configuració Co nfiguració n electrónica electrónica 5.1 Realización de una configuración electrónica 5.2 Formación de iones 6. Propiedad Propiedades es periódicas 6.1 Radio Radio atómico 6.2 Volumen Volumen atómico 6.3 Potencial Poten cial de ionización 6.4 Electroafinidad Electroafini dad 6.5 Electronegatividad Electron egatividad 7. Propiedades macroscópicas macroscópicas de la materia 7.1 Punto de ebull ición 7.2 Punto Punto de fu sión 8. Tabla periódica periódica de elementos 8.1 Períodos 8.2 Grupos 9. Enlace químico 9.1 Determinación de electrones de valencia 9.2 Tipos de enlace 9.2.1 Enlace iónico 9.2.2 Enlace covalente 9.2.3 Enlace metálico 9.3 Geometría molecular CAPÍTULO 2: NOMENCLATURA INORGÁNICA 1. Nomenclatura inorgánica 1.1 Estado de oxidación (EDO) 1.1.1 Estados de oxidación positivos 1.1.2 Estados de oxidación negativos 2. Determinación de los estados de oxidación en compuestos 2.1 Iones positivos o cationes 2.2 Iones negativos o aniones 3. Compuestos binarios 3.1 Compuestos oxigenados 3.1.1 Óxido básico 3.1.2 Anhí dridos u óxidos ácidos 3.1.3 Peróxidos 3.2 Compuestos hidrogenados 3.2.1 Hidruros 3.2.2 Hidrácidos 3.3 Sales binarias 4. Compuestos ternarios 4.1 Hidróxidos 4.2 Oxácidos 4.3 Sales ternarias 5. Mineralogía 5.1 Rocas 5.2 Mineral 5.2.1 Propiedades de los minerales 5.3 Clasificación de los minerales 5.3.1 Elementos nativos 5.3.2 Sulfuros 5.3.3 Halogenuros 5.3.4 Óxidos 5.3.5 Carbonatos 5.3.6 Nitratos, fosfat os y sulfatos 5.3.7 Silicatos CAPÍTULO 3: ESTEQUIOMETRÍA 1. Estequiometría 1.1 Ley de la conservación de la masa (ley de Lavoisier) 1.2 Ley de proporciones definidas (ley de Proust) 1.3 Ley de las proporciones múltiples (ley de Dalton) 1.4 Ley de las proporciones recíprocas (ley de Richter) 2. Términos de estequiometría 2.1 Unidad de masa atómica (uma) 2.2 Mol (n) 2.3 Constante de Avogadro 2.4 Masa molar (MM) 2.5 Relación entre masa molar y la constante de Avogadro 3. Ecuaciones químicas 4. Relaciones estequiométricas 5. Composición porcentual 6. Reactivo límite 7. Leyes fundamentales de los gases 7.1 V ariables de los gases 7.1.1 Temperatura 7.1.2 Presión 7.1.3 Volumen 7.2 Ley de los gases 7.2.1 Ley de Avogadro 7.2.2 Ley de Boyle y Mariotte 7.2.3 Ley de Charles 7.2.4 Ley de Gay - Lussâc 7.2.5 Ley combinada de los gases 7.2.6 Ecuación de gases ideales CAPÍTULO 4: DISOLUCIONES 1. Disoluciones 1.1. Características de las disoluciones 1.1.1 Clasificación de las disoluciones según la polaridad del disolvente 1.1.2 Clasificación de las disoluciones según el número de componentes 1.1.3 Clasificación de las disoluciones según la fase en la que se encuentra el disolvente 1.2. Suspensiones 1.3. Coloides 2. Expresiones en disoluciones 2.1 Porcentaje masa masa (% m/m) 2.2 Porcent aje masa volumen (% m/v) 2.3 Porcent aje volumen volumen (% v/v) 2.4 Molaridad (M) 2.5 Molalidad (m) 2.6 Part es por millón ón (ppm) 2.7 Fracción molar (Xn) 3. Relaciones entre las expresiones que informan sobre una disolución 3.1 Molaridad en función de porcent aje masa masa 3.2 Molalidad en función de porcentaje masa masa 3.3 Porcent aje masa volumen en función de porcentaje masa masa 4. Mez clas y diluciones diluciones 4.1 Mezclas 4.2 Dilución de una disolución 5. Solubilidad 6. Factores de solubilidad 6.1 Temperatura 6.2 Naturaleza química 6.3 Presión 7. Características de las disoluciones en solubilidad 7.1 Disolución total 7.2 Disolución parcial
7.3 Disolución no total 7.4 Reglas de solubilidad 8. Propiedades coligativas 8.1 Presión de vapor (tonoscopía) 8.2 Punto de ebullición (ebulloscopía) 8.3 Punto de congelación (crioscopía) 8.4 Presión osmótica (osmometría) CAPÍTULO 5: QUÍMICA AMBIENTAL 1. Flujo de materia y energía en el ecosistema 1.1 Ciclos de los nutrientes 1.1.1 Ciclo del agua 1.1.2 Ciclo del carbono 1.1.3 Ciclo del nitrógeno 1.1.4 Ciclo del fósforo 2. Contaminación ambiental 2.1 Aire 2.1.1 Componentes del aire 2.1.2 Contaminantes del aire 2.1.3 Contaminación del aire 3. Agua 3.1 Estructura molecular del agua 3.2 Propiedades del agua 3.2.1 Densidad 3.2.2 Tensión superficial 3.2.3 Calor específico 3.3 Tipos de contaminación 3.3.1 Aguas duras 3.3.2 Eutrofización 3.4 Potabilización del agua 4. Suelo 4.1 Componentes del suelo 4.2 Estructura y tipos de suelo 4.3 Degradación de suelos 4.3.1 Erosión eólica 4.3.2 Erosión marina 4.3.3 Erosión pluvial y fluvial 4.3.4 Erosión glacial 4.3.5 Erosión antrópica 4.4 Conservación de suelos 4.4.1 Cultivos en terrazas 4.4.2 Franjeado 4.4.3 Cultivo en contorno 4.4.4 Rotación de cultivos 4.4.5 Agrosilvicultura 4.4.6 Reforestación CAPÍTULO 6: PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES 1. La industria química 2. Procesos industriales químicos involucrados en el desarrollo económico 2.1 Fabricación de vidrio 2.2 Fabricación del papel 2.2.1 Reciclaje del papel 2.3 Metalurgia del cobre 2.3.1 Propiedades y aleaciones del cobre 2.3.2 Proceso de producción del cobre 2.4 Salitre 2.5 Carbonato de litio 3. Conservación de los recursos energéticos de la tierra CAPÍTULO 7: QUÍMICA ORGÁNICA 1. Fuentes naturales de obtención del carbono 1.1 Carbono elemental 1.2 Petróleo 1.2.1 Refinación del petróleo 1.3 Gas natural 1.4 Product os vegetales y animales 2. Propiedades químicas del carbono 3. Compuestos inorgánicos del carbono 4. Compuestos orgánicos del carbono 4.1 Los hidrocarburos 4.1.1 Hidrocarburos alifáticos 4.1.2 Nomenclat ura de algunos hidrocarburos alifáticos 4.1.3 Propiedades y usos de los hidrocarburos alifáticos 4.2 Hidrocarburos alicíclicos 4.3 Hidrocarburos aromáticos 4.3.1 Benceno 4.3.2 Usos y caracterí sticas de los compuestos aromáticos 5. Serie homóloga 6. Isomería 6.1 Isomería estruct ural 6.2 Estereoisomería 7. Funciones orgánicas 8. Macromoléculas 8.1 Hidratos de carbono (azúcares) 8.2 Lípidos 8.3 Proteínas 8.4 Ácidos nucleicos 9. Uso actual de los compuestos orgánicos 10. Producción de bebidas alcohólicas CAPÍTULO 8: ÁCIDO BASE 1. Conceptos y características de ácidos y bases 2. Características químicas de ácidos y bases 2.1. Ácidos 2.2. Bases 3. Medida de la acidez y basicidad 3.1 Relación entre pH y pOH 3.2 Indicadores 3.3 Disoluciones buffer 3.4 Neutralización CAPÍTULO 9: MATERIALES DE USO COTIDIANO 1. Materiales 1.1 Cerámicos 1.2 Plásticos 1.3 Caucho GLOSARIO BIBLIOGRAFÍA
CAPÍTULO 1: TEORÍA ATÓMICA
La Química Moderna se inicia con Lavoisier. Él postuló que “en la naturaleza nada se pierde ni se destruye, sólo se transforma”. Este hecho, hasta el día de hoy, es válido. Por ejemplo, citemos que las leyes que se pueden asociar a la estequiometría tienen su nacimiento en este período, descubrimientos de nuevos compuestos, etc. Aprendizajes esperados • Teoría atómica • Describir los distintos modelos atómicos. • Definir términos términos usados en t eoría at ómica. • Reconocer y utilizar los números cuánticos. • Aplicar propiedades periódicas. • Reconocer los diferentes tipos de enlace químico. • Reconocer la geometría molecular de algunos compuestos. 1. Historia de la química
Con el fin de establecer una evolución de la química, en este capítulo se pretenderá dar un resumen histórico, destacando los hechos más significativos ocurridos en esta ciencia. Si nos remontamos a la época antes de Cristo, se sabe que en China ya existían procedimientos químicos tales como la fabricación de ladrillos, de cerámica y la extracción de ciertos metales. En Egipto se realizaban observaciones experimentales que se tradujeron en obtener aleaciones de los metales y la creación de una técnica para embalsamar cadáveres.
Los griegos también hacen su aporte a esta ciencia experimental. Establecen que la naturaleza estaba compuesta por cuatro elementos: agua, tierra, fuego y aire, más un quinto elemento denominado éter. Todo estaba constituido por estos elementos. Fue Demócrito quien postuló que “al tomar una porción de la naturaleza e ir dividiéndola llegaré a una parte que no podrá ser dividida, a esa porción le llamaré átomo, es decir, sin división”. Vemos que Demócrito es el creador del término átomo. Sin embargo, Aristóteles cuestiona lo postulado por Demócrito to y establece que la nat uraleza está compuesta por cuatro esencias: esencias: caliente, frío húmedo y seco, y otro componente, la quintaesencia, aumentando así, la confusión en torno a la formación de la naturaleza. Después de Cristo, aparecen etapas más destacables para esta ciencia. Así, la era de la alquimia se caracterizó por dos hechos fundamentales: transformar cualquier tipo de metal en oro y, encontrar la inmortalidad a través de la búsqueda de la piedra filosofal y el elixir de la vida. Como sabemos, ambos sucesos no fueron logrados, sin embargo, permitieron obt ener grandes avances en los trabajos de laboratorio y en la obtención de nuevos compuestos. La siguiente etapa es la Iatroquímica, en la que se buscan y crean medicamentos para mantener la salud de las personas o bien, para la curación de ciertas enfermedades. De esta etapa proviene la actual carrera denominada química y farmacia. A continuación, aparece la etapa de la química neumática, la que se dedicó principalmente al est udio de los gases, formulando las leyes que los os rigen. A sí, el proceso de combustión fue explicado a través de la teoría del Flogisto, la que postulaba que “todo compuesto, al combustionarse, perdía flogisto o parte de su masa, quedando los respectivos residuos de cenizas”. Sin embargo, la práctica experimental demostró que tal suceso no podía ocurrir. La química moderna se inicia con Lavoisier, quien postuló que “en la naturaleza nada se pierde ni se destruye, sólo se transf orma”, hecho considerado válido hasta los días de hoy. A este periodo también se asocian las leyes de la estequiometría, los inicios de la nomenclatura orgánica e inorgánica, los descubrimientos de nuevos compuestos, etc. Luego de esta etapa, la química comienza un desarrollo importantísimo. y, gracias a las contribuciones de la física, se logra impulsar su expansión a otras áreas de las ciencias. Las investigaciones y experimentos apuntan a estudiar las características y estructura del átomo. En esta época, Mendeléev crea el actual Sistema Periódico de los elementos químicos, ordenando los átomos de acuerdo a sus caracterí sticas similares. Dalton y Thomson comienzan la creación de modelos atómicos con el fin de establecer las partículas constituyentes de un átomo. Por otra parte, se realizan numerosos est udios acerca de la radioactividad, los rayos X, la conducción eléctrica y los fenómenos nucleares. Por último, dentro de las ramas que conforman la química actual, se encuentran la química general, la química inorgánica, la química orgánica, la química analítica, la fí sicoquímica y la bioquímica. T odas ellas y su constant e comunicación, hacen de esta ciencia una forma de avanzar día a día para una mejor relación de los seres vivos y la naturaleza.
1.1 Teoría atómica 1.1.1 1.1.1 Teoría a tómica de Dalton John Dalton presenta una teoría atómica con el que se inicia el estudio del átomo. Lo propone entre los años 1803 y 1808. Su esquema es bastante simple, enunciado por tres postulados:
1. Cada elemento químico se compone de partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos. En todos los procesos químicos, el número de átomos de cada elemento, elemento, permanece permanece constante. 2. Todos los átomos de un elemento dado tienen masa y propiedades iguales, pero son distintos de los átomos de t odos los demás elementos. elementos. 3. En los compuestos químicos, los átomos de elementos diferentes están unidos entre sí en proporciones numéricas simples. Como se dijo, esta teoría ayuda a explicar lo que es el átomo. Sin embargo, no fue capaz de explicar una serie de hechos experimentales que hacía intuir la naturaleza eléctrica del átomo, tales como: - La conducción eléctrica a través de disoluciones y gases. - Descubrimientos de los rayos X. - Los fenómenos de radiactividad. Debido a esto, es necesario idear un modelo para explicar al átomo.
1.1.2 Modelo atómico de Thomson
J. J. Thomson (1856-1940) enuncia su modelo en 1897. En sus estudios experimentales, usó los tubos de descarga. Éstos estaban compuestos por un tubo de vidrio al vacío (ausencia de aire), y por dos electrodos metálicos: un ánodo (parte positiva) y un cátodo (parte negativa), los cuales estaban conectados a una fuente de poder. Al accionar dicho tubo de descarga, se producía un haz de luz y se observó que emergían del cátodo al ánodo. Por ello se los bautizó como Rayos Catódicos. Los tubos de descarga fueron una idea del investigador Robert Crookes. Cuando Thomson colocó una cruz de malta dentro del tubo y observó que se producía sombra, dedujo que el haz de luz estaba formado por partículas. A su vez, sometió dicho haz a un campo magnético y uno eléctrico donde notó que sufría desviación al polo positivo. Por lo tanto, su carga eléctrica era negativa. Así, denominó electrón a aquella partícula. A su vez, con otros experimentos logra determinar la relación carga masa del electrón, siendo ésta:
En donde C, representa la unidad de carga coulomb y g, la unidad de masa gramos. Luego, enunció su modelo: “el átomo es una esfera de carga positiva en donde los electrones estarían incrustados, y que pueden ser extraídos”. Este modelo se conoce como el “budín de pasas”. En 1908, R. A. Millikan (1868-1953), luego de varios trabajos experimentales, logra determinar la carga del electrón en:
Como se conocía la relación carga masa del electrón y el valor de la carga, fue fácil calcular la masa del electrón, resultando ésta igual a:
Por otra parte, el físico Eugen Goldstein (1850-1930), haciendo una modificación al cátodo del tubo de descarga, logra observar un haz de luz que, frente a campos eléctricos y magnéticos, sufrían desviación al polo negativo, por lo tanto, presentaban carga positiva. Estos rayos viajaban en forma opuesta a los rayos catódicos. Y venían de los orificios o canales del cátodo, motivo por el cual fueron bautizados como Rayos Canales.
1.1.3 Modelo atómico de Rutherford
Lord Ernest Rutherford (1871-1940) logra, a través de estudios experimentales, descubrir cuál era esa partícula positiva. Para destacar este hecho la llama protón (el primero). Su masa era 1.836 veces la del electrón, por lo tanto, su valor es: Con este suceso, Rutherford inicia su estudio del átomo, ocupando para ello partículas alfa. Dichas partículas fueron proyectadas sobre láminas muy delgadas de metales (oro, plata, magnesio, etc.) y en torno a esta placa, se colocaron otras, cubiertas con sulfuro de zinc. Al revisar sus observaciones se lee: “de todas las partículas alfas proyectadas, la gran mayoría pasó sin problemas, pero otras sufrieron desviación”. Debido a esto, Rutherford sugirió que el átomo ya no era una estructura compacta. Comprobó que la mayor parte de la masa del átomo estaba al centro, al que llamó núcleo. Éste estaba formado por protones y a su alrededor, se encontraban girando los electrones separados por una distancia tal, que las partículas alfa pasaban sin problemas. Presenta sus estudios en 1911. En 1908 recibe el premio Nobel de Química. El modelo atómico de Rutherford también es conocido como el modelo planetario, debido a su semejanza con el sistema solar. Rutherford supone la existencia de otra partícula en el núcleo pero no lo demuestra. Quien sí comprueba tal supuesto es Sir James Chadwick (1891-1974). Él ocupa la llamada cámara de niebla para realizar sus experimentos, y en la reproducción de ellos, observa que una partícula retrocedía. Ésta resultó tener carga eléctrica cero y poseer una masa igual a la del protón. Dicho descubrimiento ocurre en el año 1932 y en 1935 recibe el premio Nobel de Física. Con ello se demuestra que el átomo no es la partícula más pequeña sino que dentro de ella hay otras aún más pequeñas, las cuales nuevamente agrupadas dan origen al átomo. El átomo entonces est á compuesto por protones, neutrones y electrones. Veamos a continuación el próximo modelo que pretende aportar otras explicaciones no contestadas por Rutherford. 1.1.4 Modelo atómico de Bohr
El modelo de Rutherford distingue un núcleo, formado por protones y neutrones y una envoltura que son los electrones. Sin embargo, este modelo no da información de cómo se distribuyen los electrones ni explica el hecho de que los átomos emitan o reciban energía. Fue Niels Bohr (1885 - 1962) quien propone una mejora al modelo de Rutherford. Él argumentó lo siguiente: “dado que estamos en presencia de partículas, las cuales presentan carga eléctrica, necesariamente debe produc irse una a tracción entre ellas”. Por lo tanto, el núcleo ejercerá atracción sobre el electrón, a tal punto de que el electrón empezará a proyectarse rápidamente al núcleo con la consecuencia de destruirlo. Esto no podía ser. El átomo es eterno, eso estaba claro. Ocupando los planteamientos de la física clásica, Bohr inicia la argumentación para justificar que el núcleo y el electrón no no se atrajeran. eran. Supuso que existía una relación entre la fuerza centrípeta y la fuerza eléctrica de atracción. Además, manifestó que la energía total del sistema era igual a la suma de la energía potencial y la energía cinética. Después de un desarrollo matemático (que no es necesario detallar), concluyó los siguientes aspectos: 1. Existen niveles de energía permitidos, que van desde n igual a uno hasta infinito. 2. Hay órbitas estacionarias en la cuales se mueve el electrón. No se manifiesta energía en estas órbitas. 3. El electrón podrá saltar de un nivel a otro de energía, sólo si se le entrega un cuantum de energía, expresado en valores enteros y no en fracciones. 4. Cuando el electrón pasa de un nivel menor a uno mayor de energía, ese proceso se llama absorción. Si va de uno mayor a uno menor, se llama emisión. 5. Para que ocurra ese salto entre los niveles se deberá procurar una frecuencia tal que concuerde con dicha diferencia energética. Con sus estudios, Bohr propuso tres expresiones con las cuales se puede calcular la energía para cada nivel, el radio de cada órbita y la velocidad del electrón en dicha órbita. Estas expresiones dan cuenta de los valores que se obtienen en cada nivel. Su propuesta se basó en el átomo de Hidrógeno. La gran desventaja del modelo atómico de Bohr fue que no pudo ser aplicado a los demás átomos, puesto que seguía asumiendo un átomo plano, el cual, necesariamente debía tener volumen. 1.1.5 Modelo mecánico cuántico El Modelo Mecánico Cuántico es la explicación actual sobre el comportamiento del átomo. Fue desarrollado entre los años 1924 y 1927 por varios científicos. Comenzando con Louis de Broglie, quien intuyó que los electrones deberían tener el comportamiento de una onda. Esto fue demostrado en 1927. Esta particular conducta de los electrones implica la imposibilidad de determinar simultáneamente y con igual exactitud la posición y la velocidad de éstos, pues para conocerlas se debe interactuar con esta partícula. Este postulado se conoce con el nombre de Principio de Incertidumbre y fue enunciado, en 1927, por Werner Heisenberg. Dado que el electrón es una partícula que presenta propiedades de onda, su movimiento pudo ser descrito por medio de una ecuación de onda. Erwin Schrödinger, en 1926, empleó las
ideas de Broglie para llegar a la ecuación de onda que podría aplicarse al átomo de hidrógeno. La resolución de la ecuación de Schrödinger difiere de las ecuaciones simples, puesto que es una ecuación diferencial. Una de las características de éstas, es el gran número de soluciones posibles. Los resultados obtenidos para el átomo de hidrógeno se pudieron extender con éxito al resto de los elementos del sistema periódico.
2. Términos en teoría at ómica ómica Como se sabe, ya se estableció que los constituyentes del átomo son: protones, neutrones y electrones. Ahora bien, al relacionarlos surgen conceptos que es de interés conocer. 2.1 Número atómico (Z)
Corresponde al número de protones que posee el núcleo de un átomo y es lo que neutro, la cantidad de protones es igual a la cantidad identifica a un elemento. En un átomo neutro, de electrones, es decir, cuando se menciona que el átomo de sodio (Na) tiene un número atómico 11, implica que en el núcleo de ese átomo existen 11 protones y, consecuentemente, 11 electrones en la electrósfera.
2.2 Número másico (A)
El número másico es la suma de protones y neutrones que existen en un átomo. En él se expresa la composición nuclear que determina el peso atómico.
2.3 Número de neutrones (n°)
Corresponde a partículas sin carga eléctrica, con masa similar al protón. Se calcula con la diferencia del número másico y el número atómico. 2.4 Elemento químico Es el conjunto de todos los átomos con el mismo número atómico ( Z ), siendo la notación general de un átomo la siguiente:
2.5 Unidad másica atómica (UMA) Los átomos son tan pequeños, que no se puede cuantificar su masa individual. Sin embargo, mediante métodos experimentales se puede determinar la masa de un átomo en relación con la de otro. Para ello, se debe asignar un valor a la masa de un átomo de un elemento determinado de tal manera que pueda ser usada como patrón. Se ha establecido que el uno de los isótopos del elemento carbono, tiene exactamente un peso de 12 unidades de masa a tómica . Entonces, tomando como patrón este isótopo, la unidad másica atómica (uma) es igual a 1/12 de la masa del
2.6 Carga eléctrica a. Átomo negativo Átomo cuyo número de electrones es mayor respecto al número de protones. También se llama Anión.
b. Átomo neutro Átomo cuyo número de protones es igual al número de electrones y se refiere a un átomo en su estado natural.
c. Átomo positivo Átomo cuyo número de electrones es menor en comparación al número de protones. También se llama Catión.
2.7 Carga nuclear Es la carga que presenta el núcleo. Su valor se lo entregan los protones, dado que los neutrones son eléctricamente neutros. Un átomo X , que posee m cargas positivas, se representa por
Un átomo X, que posee n cargas negativas, se representa por
A, Z , m y n son números enteros A= Número másico Z = Número atómico Ejemplo 1
El átomo de sodio tiene 11 protones, 11 electrones y 12 neutrones. Como hay igual número de protones y electrones es neutro. Su carga nuclear es + 11. Ejemplo 2
El ión de aluminio tiene 13 protones, 10 electrones y 14 neutrones. Como hay mayor número de protones que elect rones es positivo (o catión). Su carga nuclear es + 13. Ejemplo 3
El ión de oxígeno tiene 8 protones, 10 electrones y 8 neutrones. Como hay mayor número de electrones que protones es negativo (o anión). Su carga nuclear es + 8.
3. Tipos de átomos 3.1 Isótopos Son aquellos átomos que presentan igual número atómico, pero distinto número másico. Se establece en átomos de un mismo elemento. Ejemplo
El oxígeno tiene tres isótopos (tiene igual Z, distinto A ).
3.2 Isóbaros Son aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número atómico. Ejemplo
Son átomos distintos, pero tienen igual A y diferente Z. 3.3 Isótonos Son átomos que presentan distinto número másico, distinto número atómico, pero tienen igual número de neutrones. Ejemplo
Tienen en común el mismo número de neutrones que es 6.
4. Números cuánticos Los números cuánticos surgen del modelo mecánico cuántico. Ellos se encargan de describir al electrón dentro del átomo. Veamos, entonces, cada número cuántico y sus características.
4.1 Número cuántico principal (n) Es el primer número cuántico y se simboliza por n. Indica el nivel de energía dentro del átomo. Su valor se expresa como números enteros positivos que varían entre 1 e infinito.
4.2 Núme Número ro cuántico cuántico secundario secundario ( )
Es el segundo número cuántico y se simboliza simboliza por Informa de los os orbitales que están presentes en cada nivel energético. Su valor varía desde cero hasta (n - 1)
Un orbital es la región donde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón en dicho nivel energético. Los orbitales tienen representación gráfica a través de coordenadas polares y funciones trigonométricas. Se usan los ejes x, y, z para reafirmar que representan una distribución espacial. Los orbitales se dan a conocer por letras, de acuerdo al siguiente cuadro.
Si el valor de aumenta , la letra sigue el orden alfabét ico sin repetir s ni p, dado que ya están seleccionadas. Con respecto al número de electrones que puede estar en cada orbital, estará informado por la siguiente expresión:
Los orbitales tipo s, presenta n un máximo de 2 ; los tipo p, un máximo de 6; los tipo d, un máximo de 10, etc. La totalidad de orbitales disponibles para albergar tal número de electrones estará dada por la expresión: (2 ·
+ 1)
Es decir, habrá un solo orbital s, 3 orbitales tipo p, 5 orbitales tipo d, 7 orbitales tipo f, etc. Sin embargo, cada orbital (uno solo) tendrá un máximo de dos electrones.
4.3 Número cuántico magnético (m) Es el tercer número cuántico y se simboliza por m. Indica la orientación espacial de un orbital. Su valor es:
4.4 Número cuántico de spin (s) Es el cuarto y último número cuántico, se simboliza por s. Informa el sentido del giro del electrón en un orbital. Su valor es:
En resumen, un electrón puede ser representado simbólicamente por:
En conclusión, podemos decir que un electrón es localizado por sus cuatro números cuánticos, de la misma manera que una persona es localizada por su dirección, es decir: nombre de la calle, número del edificio, piso y número de apartamento.
5. Configuración electrónica La configuración electrónica es la distribución de los electrones dentro del átomo, según principios que la regulan. Los principios que la rigen son: a. Principio de exclusión de Pauli “No puede habe r dos electrones con los mismos números cuánticos”. b. Principio de constitución o de mínima energía “Los electrones irán ocupando los niveles de más baja energía en forma creciente”.
c. Principio máxima multiplicidad de Hund “Deberán existir el mayor número de electrones desapareados posibles”. Este último principio tiene su aplicación directa en los orbitales tipo p, d, f, etc., dado que son más de dos. Cada electrón tiene cuatro números cuánticos y se puede establecer, dentro de la configuración electrónica, los valores de cada electrón, esto es, se puede calcular al primero como al último electrón, etc. Con respecto a la asignación del signo en los orbitales p, d, f, etc., de acuerdo al número cuántico magnético m, debemos hacer notar que es una asignación arbitraria y en este texto se establecerá que los valores de la izquierda serán negativos y los de la derecha, positivos. En el siguiente esquema se muestran los signos para cada orbital:
Para el número cuántico de spin (s), el signo para el primer electrón que entra será positivo y para el segundo electrón, negativo. De esta forma serán todas las interrogantes que se formulen al respecto y los comentarios respectivos.
5.1 Realiza ción de una configuración electrón ica
Ejemplo: Realizar la configuración electrónica del sodio,
.
Como el átomo no presenta signo + ó –, se asume que es neutro, por lo tanto, el número de electrones por distribuir es igual al número de protones, esto es, 11 electrones. Los electrones se irán distribuyendo desde el nivel más bajo de energía y así sucesivamente hasta alojar al último. De acuerdo con el sentido de giro, el primer electrón que entre a cada orbital tendrá signo positivo y luego entrará el otro (signo negativo). A continuación, el orden energético de cada orbital 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p < 8s El primer y segundo electrón entra en el orbital 1s y se anota: El tercer y cuarto electrón entran en el orbital 2s y se anota: El quinto, sexto y séptimo electrón entra en el orbital 2p y como son tres, cada electrón ocupa uno cada uno y se anota: El octavo, noveno y décimo electrón entra en el orbital 2p y van ocupando el espacio que dejan los que ya están y se anota: en total
El undécimo y último electrón entran en el orbital 3s y se anota: Por lo tanto, tenemos: Ahora bien, como el orbital tipo p está completo para el número de electrones que puede albergar, se puede anotar como:
Visto de ot ra manera:
En donde la flecha indica el electrón con spin +1/2 (hacia arriba) y con spin –1/2 (hacia abajo). Recordemos que entra primero el electrón con spin +1/2 y luego el electrón que tiene spin –1/2. Veamos otro ejemplo y realicemos la configuración electrónica para el electrones por distribuir.
. Son 25
el electrón 1 y 2 al 1s: el electrón 3 y 4 al 2s: el electrón 5, 6 y 7 al 2p:
el electrón 8, 9 y 10 al 2p: el electrón 11 y 12 al 3s: el electrón 13, 14 y 15 al 3p: el electrón 16, 17 y 18 al 3p: el electrón 19 y 20 al 4s: el electrón 21 al 25 al 3d:
Por lo tanto, tenemos:
Excepción: Hay dos átomos que presentan una distribución especial de sus electrones, puesto que no cumplen con los principios de construcción. Teóricamente debiera ser una configuración con una secuencia normal, pero experimentalmente se encuentra que no lo es. Estos átomos son: Cr y Cu. Realicemos la configuración para cada uno. Comencemos con el Cr (Z=24). Los electrones 1 al 18 se distribuyen normalmente y anotamos:
Luego procede llenar los orbitales 4s y 3d, quedando:
Pero en realidad se establece como:
El 3d se hace más estable teniendo todos sus orbitales ocupados, siendo el 4s quien aporta ese electrón. Veamos el Cu (Z = 29). Los electrones 1 al 18 se distribuyen normalmente y anotamos:
Luego los orbitales 4s y 3d, dando:
Cuando lo que se comprueba es:
5.2 Formación de iones • Cat iones (iones positivos): En determinadas oportunidades los elementos metálicos pueden perder fácilmente algunos de sus electrones de valencia del último nivel energético. Al perder uno o más
, el átomo queda con un mayor número de
cargas positivas, dando origen a los cationes. En este proceso, el catión consigue tener la misma configuración electrónica que el gas noble más próximo, logrando así su estabilidad estabilidad quí mica (octeto).
• Aniones (iones negativos): Son producidos principalmente por los elementos no metálicos , los cuales tienen tendencia a ganar electrones para llegar a tener la configuración electrónica del gas noble más cercano. El proceso de ganancia de electrones deja al átomo con un exceso de cargas negativas, las cuales lo transforman en un anión o ión negativo.
6. Propiedades periódicas Las propiedades periódicas que a continuación presentaremos son: -
Radio atómico Volumen atómico Potencial de ionización Electroafinidad Electronegatividad
Estas propiedades van a caracterizar a los elementos que forman la tabla periódica y veremos su comportamiento en los grupos y períodos respectivamente.
6.1 Radio atómico Es la distancia que se establece entre el núcleo y el último electrón del átomo. En la tabla periódica varía de la siguiente manera: • Grupos: aumenta aumenta de arriba hacia abajo, debido a que el átomo incrementa su valor de número atómico. • Período: dismin disminuye uye de izquierda a derecha, debido a que el núcleo se hace mayor con el correspondiente aumento de la carga nuclear y por ello los electrones más cercanos se sienten más atraídos que los últimos, reduciendo así su distancia y por consiguiente el radio atómico.
6.2 Volumen atómico Es el espacio que ocupa el átomo. Se hace el supuesto de que el átomo es una esfera y se aplica la fórmula de tal figura
Como el volumen es directament e proporcional al radio, debido a 4/3 π es constant e, tendrá la misma variación en grupos y períodos que el radio atómico. Con respecto al orden del volumen en átomos positivos (VAP), neutro (VAO) y negativo (VAN), encontraremos el mismo orden creciente. Orden volumen VAP < VAO < VAN
6.3 Potencial de ionización Es la energía necesaria para separar al último electrón del átomo, el cual está débilmente retenido. También se la denomina energía de ionización. En la tabla periódica varía de la siguiente manera: • Grupos: aumenta aumenta de abajo hacia arriba. • Períodos: aumenta de izquierda izquierda a derecha.
6.4 Electroafinidad Es la energía liberada cuando se agrega un electrón al átomo. En la tabla periódica varía en: Grupos: aumenta de abajo hacia arriba. Períodos: aumenta de izquierda a derecha.
6.5 Electronegatividad Es la capacidad para atraer un par de electrones de enlace. En la tabla periódica varía de la siguiente manera: Grupos: aumenta de abajo hacia arriba. Períodos: aumenta de izquierda a derecha.
7. Propiedades macroscópicas macroscópicas de la materia 7.1 Punto de ebullición El punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica existente sobre dicho líquido. A temperaturas inferiores al punto de ebullición (p.e.), la evaporación tiene lugar únicamente en la superficie del líquido. Durante la ebullición se forma vapor en el interior del líquido, que sale a la superficie en forma de burbujas, con el característico hervor tumultuoso de la ebullición. Cuando el líquido es una sustancia simple o una mezcla, continúa hirviendo mientras se le aporte calor, sin aumentar la temperatura; esto quiere decir que la ebullición se produce a una temperatura y presión constantes con independencia de la cantidad de calor aplicada al líquido. Cuando se aumenta la presión sobre un líquido, el punto de ebullición aumenta. El agua, sometida a una presión de 1 atmósfera (760 mm Hg), hierve a 100 °C, pero a una presión de 217 atmósferas el punto de ebullición alcanza su valor máximo a 374 °C. Por encima de esta temperatura, (la t emperatura emperatura crít ica del agua) el agua en estado líquido es idéntica al vapor saturado. Al reducir la presión sobre un líquido, baja el valor del punto de ebullición. A mayores alturas, donde la presión es menor, el agua hierve por debajo de 100 °C. Si la presión sobre una muestra de agua desciende a 0,05 atmósferas, la ebullición tendrá lugar a 0 °C. Los puntos de ebullición varían dentro de un amplio margen de temperaturas. El punto de ebullición más bajo es el del helio, -268,9 °C; el más alto es probablemente el del wolframio, unos 5.900 °C. Los puntos de ebullición varían de acuerdo a los distintos elementos y compuestos químicos, tomando como referencia una presión de 1 atmósfera.
7.2 Punto de fusión Es la temperatura a la cual un sólido cambia a líquido. En las sustancias puras, el proceso de fusión ocurre a una sola temperatura y el aumento de temperatura por la adición de calor se detiene hasta que la fusión es completa. Los puntos de fusión se han medido a una presión de 1 atmósfera. Al fundirse, todas las sustancias absorben calor y la mayor parte de dilatan; en consecuencia, un aumento en la presión normalmente eleva el punto de fusión. Algunas sustancias, de las cuales el agua es el ejemplo más notable, se contraen al fundirse; así, al aplicar presión al hielo a 0 °C (32 F), se provoca su fusión. Para producir cambios significativos en el punto de fusión se requieren grandes cambios en la presión. En disoluciones de dos o más componentes el proceso de fusión ocurre normalmente dentro de un intervalo de temperaturas y se hace una distinción entre el punto de fusión, la temperatura a la que aparece la primera traza de líquido y el punto de congelamiento, es decir, la temperatura más alta a la que desaparece la última traza de sólido, o, en forma equivalente, si se está enfriando en vez de calentar, la temperatura a la que aparece la primera traza de sólido.
Es interesante hacer notar que los elementos de menores puntos de fusión y ebullición son aquellos que se pueden presentar en estado líquido o gaseoso, en condiciones ambientales. Con excepción del hidrógeno, dichos elementos están ubicados a la derecha de la tabla periódica
8. Tabla periódica de elementos En el sistema periódico actual los elementos químicos se organizan según el orden creciente de sus números atómicos. El número atómico es el mismo para todos los átomos de un elemento, independiente de que un elemento tenga varios isótopos. Los elementos de la tabla se anotan con mayúscula cuando tengan un solo carácter, en cambio, cuando son dos caracteres la primera letra es mayúscula y la segunda minúscula. K (Potasio)
Mg (Magnesio)
8.1 Períodos Las siete líneas horizontales que aparecen en la tabla periódica son denominados períodos, es importante importante notar que: • En el sexto perío do la tercera cuadrí cula encierra 15 elementos (del lantano antano a lutecio) que por comodidad, están indicados en una línea debajo de la tabla; comenzando con el lantano, esos elementos forman la llamada serie de los lantánidos. lantánidos . • Analógicament e, en el séptimo perío do, la tercera cuadrícula también encierra 15 elementos químicos (del actinio hasta el laurencio), que están indicados en la segunda línea debajo de la tabla. Comenzando con el actinio, ellos forman la serie de los actínidos. actínidos. • Se debe señalar que todos los elementos situado s después del uranio (U–92) no existen en la naturaleza, debiendo ser sintetizados artificialmente. Ellos son denominados elementos transuránicos. Aparte de estos elementos, son también artificiales el tecnecio (Tc–43), promecio (Pm–61) y astato (As–85).
8.2 Grupos Es un ordenamiento vertical de los elementos en la tabla periódica, de acuerdo a propiedades químicas semejantes. La numeración tradicional de las dieciocho columnas es I A, II A, III A, IV A, etc, como vemos en la tabla periódica de más arriba. Actualmente, la IUPAC (Internacional Union of Pure and Applied Chemistry – Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) reco mienda la numeración suces iva, es decir: 1 , 2, 3, 4, 5,....... .... Es importante considerar lo siguiente: • El hidrógeno (H), a pesar de aparecer en el grupo IA (1), no es un metal alcalino. Al contrario, el hidrógeno es tan diferente de los demás elementos químicos que algunas clasificaciones prefieren colocarlo fuera de la tabla. • Los grupos A son los más important es de la tabla, sus elementos son denominados representativos. • Los elementos de los grupos III B, B, IV B, V B, VI B, B, VII B, B, VIIIB, I B y I B constit uyen los llamados elementos de transición. Note que el grupo VIII B es un grupo triple. • Ot ra separación importante que podemos hacer en la tabla periódica es aquella en la que dividimos los elementos en metales, no metales y gases nobles.
a. Elementos representativos Corresponden a los grupos A de la tabla periódica. No cumplen con la regla del octeto, es decir, su último nivel de energía no alcanza a tener 8 electrones. Así por ejemplo, los átomos de los elementos representativos pertenecientes al grupo III A, como el Aluminio (Al), tienen 3 e- de valencia en su última capa, es decir, presentan incompletos los orbitales Los elementos de los grupos I A al V A, tienen la tendencia a ceder electrones
para llegar a la configura ción de gas noble más cercan o. En cambio, los elementos elementos de los grupos VI A y VII VII A, A, captan para llegar a la configuración configuración de gas noble más cercano. b. Elementos de transición Se sitúan en los grupos B del sistema periódico. Los elementos pertenecientes a esta en su último nivel de energía . energía . clasificación presentan orbitales c. Elementos de transición interna Se ubican en la zona inferior inferior de la tabla periódica, también se les denomina tierras raras. Su principal característica es que presentan orbitales en su último nivel de energía . energía . d. Gases nobles Se ubican en la parte derecha de la tabla periódica, en el grupo 0 ó grupo VIII. VIII . Son químicament e gases, que presentan 8 excepción del Helio (He) que presenta 2.
en su último nivel de energía
, con
Los átomos de los ga ses nobles presentan gran estabilidad estabilidad química debido a su configuración electrónica, puesto que cumplen con la regla del octeto, es decir, presentan una configuración electrónica completa con 8 en su último nivel energético. Por esta razón, no reaccionan con otros elementos químicos, recibiendo el nombre de inértidos. inértidos.
9. Enlace químico El enlace químico es la forma de unión entre dos o más átomos. Esta unión va a estar regulada por criterios y reglas y dependiendo de ello, es el tipo de enlace que se establece. Es así que un á tomo adquiere estabilidad cuando posee 8 electrones en la capa electrónica electrónica más externa (o 2 electrones cuando sólo tienen 1 nivel de energía) o capa de valencia. La denominación electrón de valencia , valencia , se utiliza para designar los electrones existentes en esa capa. En la práctica, cuando dos átomos se van a unir, ellos intercambian electrones entre sí (ceden o ganan) o utilizan compartición de electrones, procurando adquirir la configuración electrónica de un gas noble. Dos reglas principales que se deben cumplir son las siguientes: • Regla Regla del Dueto: Un átomo debe tener dos electrones en su entorno. • Regla Regla del Octeto: Un átomo debe tener ocho electrones alrededor. Además, existe una forma de simbolizar esta repartición de los electrones en el enlace; denominada estructura de Lewis. La estructura de Lewis es la representación de la distribución de los electrones que participan en el átomo. Ejemplo: Como el hidrógeno pertenece al grupo IA, tendrá un solo electrón. El oxígeno pertenece al grupo VIA y participa con seis electrones. Al simbolizar su unión queda
9.1 Determinación de electrones de valencia Son los electrones de mayor energía que posee un átomo. Estos se ubican en los niveles energéticos más externos. Además, son los electrones efectivamente utilizados en la creación de los enlaces químicos. Para poder determinarlos: • Se escribe la configuración electrónica de los elementos. • Se identifica la capa más externa. • Se suman los electrones del último nivel de energía. Así por ejemplo, el oxígeno que tiene un número atómico de 8, al escribir su configuración electrónica queda:
Identificando la capa más externa,
Sumando los electrones 2 + 4, se obtienen 6 electrones de valencia. 9.2 Tipos de enlace 9.2.1 Enlace iónico Es el proceso de unión que se establece entre dos átomos de electronegatividades muy distintas (diferencia de EN igual o mayor a 1,7), en el cual ocurre una transferencia de uno o más electrones, generalmente desde un elemento metálico hacia otro no metálico. En este tipo de enlace un átomo cede electrones, quedando con carga positiva, y el otro átomo capta electrones, quedando con carga negativa. Las sustancias iónicas tienen aspecto cristalino, son sólidas a temperatura ambiente y presentan elevados puntos de fusión y ebullición. Además, son solubles en agua y conducen la corriente eléctrica (electrolitos) cuando están fundidos o en disolución acuosa. Son sustancias iónicas: la sal de mesa (NaCl), el salitre , el sulfat o de cobre y sales en general.
El enlace iónico se establece principalmente entre átomos de los grupos: I A - VI A II A - VI A I A - VII A II A - VII A Ejemplo: NaCl
9.2.2 Enlace covalente Es un tipo de unión atómica que se caracteriza porque los átomos enlazantes comparten electrones, formando formando ambos un octeto. Las sustancias con enlaces covalentes son, por lo general, insolubl insolubles es en agua, no conducen la corriente eléctrica y presenta n puntos de fusión más bajos. Dentro de este enlace se distinguen dos tipos:
• Enlace covalente apolar: Se da entre átomos de igual electronegatividad (diferencia de EN = 0). Este enlace lo presenta n los gases diatómicos, tales como el etc. • Enlace covalente covalente polar: Se presenta entre át omos que tienen electronegatividades electronegatividades muy similares (diferencia de EN entre 0,1 y 1,6). Se le denomina enlace covalente polar porque al producirse la unión entre átomos con electronegatividades similares, se establece una zona donde se concentra una mayor densidad electrónica, generándose por consiguiente un polo positivo y otro polo negativo. Por lo tanto, la zona que pertenece al átomo con mayor electronegatividad será el polo negativo y la del átomo con menor electronegatividad será el polo positivo, originándose así una molécula polar. Ejemplo:
- Enlace covalente apolar: Ejemplo:
- Enlace covalente polar: Ejemplo: HCl
- Enlace covalente coordenado o dativo: en este t ipo de enlace sólo un átomo aporta electrones para el enlace, mientras que el otro átomo sólo aporta orbitales vacíos. Ejemplo:
9.2.3 Enlace metálico
En este caso los electrones forman una nube alrededor de un conglomerado de átomos y se dice que los electrones están deslocalizados. Este tipo de enlace se caracteriza por poseer una gran cantidad de iones positivos que se mantiene unido por una nube de electrones. Los cationes metálicos se encuentran rodeados de electrones deslocalizados, lo que produce una gran atracción entre átomos, así lo explica la teoría del mar de electrones .
Esta atracción es responsable de las propiedades de los compuestos metálicos, tales como sus elevados puntos de fusión y ebullición, ser buenos conductores de calor y electricidad, ser maleables y dúctiles.
9.3 Geometría molecular Corresponde a la disposición espacial que tienen las moléculas, basado en el modelo de la repulsión de los pares electrónicos de la capa de valencia (RPECV). Esta indica que los electrones de valencia que se encuentran en un átomo central, desempeñan un papel fundamental, incluyendo los pares electrónicos que forman enlace y los que no forman enlace. Considerando a las moléculas covalentes como compuestas por un átomo central (A), rodeado de ligantes (B), la fórmula que lo representa es:
Siendo X, el número de ligantes del átomo central. Ejemplo: Determinar la geometrí a molecular de la molécula de anhídrido sulfuroso,
.
- Primero se deben determinar los electrones de valencia de los átomos involucrados en la formación de la molécula: Oxígeno: 6 electrones de valencia (grupo VIA) Azufre: 6 electrones de valencia (grupo VIA) - Determinar el tot al que efectivamente forman enlaces: 6 + 6 · 2 =18 (electrones disponibles) - Ubicar átomo principal en el centro y los ligantes alrededor: O
S
O
- Distribuir los átomos disponibles, formando en primera instancia enlaces simples (2 electrones): O−S− O (4 electrones utilizados) - Luego, distribuir los electrones restantes, formando en primera instancia octetos con los ligantes y luego con el átomo central:
- En este caso, el azufre no cumple con octeto, por lo tanto, se deben deslocalizar pares de electrones para formar enlaces dobles:
Finalmente, se determina que la molécula de anhídrido sulfuroso tiene geometría angular, con 2 ligantes y un par de electrones libres en el átomo central.
Por último, es conveniente indicar que existe un concepto importante relacionado con el Hibridación . Tiene relación con un aumento del número de electrones enlace químico: Hibridación.
desapareados, producto de un reordenamiento de los orbitales apareados. El principal ejemplo de hibridación lo representa el átomo de carbono.
CAPÍTULO 2: NOMENCLATURA INORGÁNICA
Un elemento puede tener una o varias cargas eléctricas. Su estado de oxidación está relacionado, en parte, con el grupo al cual pertenece. Aprendizajes esperados • Identificar estados de oxidación. • Nombrar y reconocer compuestos inorgánicos. • Relacionar la nomenclatura inorgánica con los distintos minerales. • Reconocer los distintos minerales de acuerdo a su fórmula química. • Reconocer la dureza de un mineral utilizando la escala de Möhs. 1. Nomenclatura inorgánica Para nombrar los distintos compuestos químicos e iones, es necesario conocer los siguientes siguientes aspectos: • El nombre del elemento. • Estado de oxidación. oxidación. Ahora bien, el nombre de un determinado elemento tiene su origen en el nombre del país donde fue descubierto, en la raíz del nombre del descubridor, etc.
1.1 Estado de oxidación (EDO) Es la carga eléctrica que presenta el elemento. Ésta puede ser positiva o negativa. Además, un elemento puede tener una o varias cargas. Por lo tanto, el estado de oxidación de un elemento está relacionado, en parte, con el grupo al cual pertenece. A continuación, presentaremos una lista con elementos y sus estados de oxidación.
1.1.1 Est ados de oxidación positivos +1 : H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Ag +2 : Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd +3 : B, Al, Ga, In, Sc, La, Ac +4 : Ge +1 y +2 : Cu, Hg +1 y +3 : Tl, Au +2 y + 3 : Fe, Co, Ni +2 y +4: C, Si, Sn, Pb, Pt +3 y +4: Ti, Zr +3 y +5: N, P, As, Sb, Bi, V +4 y +6: S, Te, Se +2, +3 y +6: Cr +2, +4 y +6: Mo, W +1, +3, +5 y +7: Cl, Br, I, F +2, +3, +4, +6, +7 : Mn
1.1.2 Esta dos de oxidación negativos -1 : H, F, Br, I, Cl -2 : O, S, Te -3 : N, P -4 : C, Si -1 y -2 : O
Un estado de oxidación determinado, se va a manifestar en presencia de otros elementos. 2. Determinación de los estados de oxidación en compuestos Para asignar la nomenclatura a los diversos compuestos inorgánicos, es fundamental saber el estado de oxidación de los elementos que participan en la formación de los mismos, ya que esto permite, en la nomenclatura tradicional, diferenciarlos. Para una mayor claridad, se presentan a continuación las reglas de estados de oxidación:
Para realizar esta determinación, vamos a distinguir tres casos: a. Compuesto neutro b. Compuesto positivo c. Compuesto negativo a. Compuesto neutro En este caso, la suma de los estados de oxidación es cero. Ejemplo:
Si no se conoce el estado de oxidación de un elemento determinado, se puede establecer conociendo el estado de oxidación de los otros elementos que conforman el compuesto. Ejemplo:
Por lo tanto, el estado de oxidación del Ca es +2.
b. Compuesto positivo La suma de los EDO debe ser positiva según indique la carga del compuesto. Ejemplo:
Al igual que en el caso anterior, también se puede conocer el EDO de un elemento en base al otro.
c. Compuesto negativo La suma de los EDO debe ser negativa según indique la carga del compuesto. Ejemplo:
Los nombres que usan los números romanos, corresponden a la nomenclatura St ock y los que usan sufijos, a la nomenclatura tradicional.
2.1 Iones positivos o cationes Los que tienen un solo estado de oxidación: : ión hidrógeno : ión calcio : ión aluminio Los que tienen dos estados de oxidación: : ión hierro (II) ó ión ferroso : ión hierro (III) ó ión f érrico : ión cobre (I) ó ión cuproso : ión cobre (II) ó ión cúprico : ión nitrógeno (III) ó ión nitroso : ión nitrógeno (V) ó ión nítrico Se puede observar que la primera forma de nombrarlos, conserva el nombre del elemento y entre paréntesis, el estado de oxidación en números romanos. La segunda forma usa sufijos, “oso” e “ico”, para indicar con el primero (oso) el menor estado de oxidación y con el oxidación. Estos sufijos sólo proceden cuando hay dos segundo (ico), el mayor estado de oxidación. estados de oxidación. Los elementos que tienen más de dos estados de oxidación: : ión cloro (I) ó ión hipocloroso : ión cloro (III) ó ión cloroso : ión cloro (V) ó ión clórico : ión cloro (VII) ó ión perclórico Como vemos, en el caso del halógeno cloro, que presenta cuatro estados de oxidación, se hace uso de la nomenclatura tradicional de prefijos y sufijos. Es decir: +1 +3 +5 +7
hipocloroso cloroso clorico perclorico
2.2 Iones negativos o aniones Tienen un sólo estado de oxidación: : ión hidruro : ión fluoruro : ión yoduro : ión bromuro : ión sulfuro Vemos que el sufijo uro es característico para los elementos que presentan est ados de oxidación negativos.
3. Compuestos binarios Los compuestos binarios están formados por dos elementos, independientes del número en que estén. A continuación presentaremos la clasificación de ellos. • Óxido básico • Anhídridos u óxidos ácidos • Hidruros • Hidrácidos • Peróxidos • Sales binarias
3.1 Compuestos oxigenados Son compuestos binarios en los cuales el oxígeno es el elemento más electronegativo. 3.1.1 Óxido básico Están formados por metales con estados de oxidación bajos (+1, +2 o +3). Son compuestos sólidos, iónicos, con puntos de fusión y ebullición elevados y que presentan el anión oxígeno en su estruct ura. Los óxidos de los metales alcalinos (IA) y de los alcalinos térreos (II A) reaccionan con el agua. Los demás óxidos básicos, son poco solubles en agua.
En general, cuando los óxidos básicos reaccionan con agua, producen una base o si reaccionan con un ácido, producen una sal y agua.
Nomenclatura de óxidos básicos Se pueden nombrar de acuerdo a nomenclatura IUPAC, Stock o de acuerdo a la nomenclatura tradicional. 1. Cuando el elemento forma sólo un óxido, se le nombra:
• Stock: Óxido de __(Nombre del elemento)_____ (estado de oxidación en números romanos) • Tradicional: Óxido __(Nombre del elemento)____ ico Ejemplo: compuesto
Stock: Óxido de Sodio Tradicional: Óxido Sódico
2. Cuando el elemento forma más de 1 óxido, se tiene: • Stock: Óxido de __(Nombre del elemento)_____ (estado de oxidación en números romanos) • Tradicional: Óxido ________________________ oso (estado de oxidación menor) Óxido ______________________________ico (estado de oxidación mayor) Ejemplo: compuesto
Stock: Óxido de Cobre (I) Tradicional : Óxido Cuproso Ejemplo: compuesto CuO
Stock: Óxido de Cobre (II) Tradicional : Óxido Cúprico
3.1.2 An hídridos u óxidos ácidos Son compuestos moleculares, generalmente solubles en agua, formados por no metales. Por este motivo, son compuestos principalmente gaseosos. En los anhídridos, el oxígeno presenta un estado de oxidación oxidación –2.
Los óxidos ácidos o anhídridos son óxidos que reaccionan con agua, produciendo un ácido, o reaccionan con una base, produciendo sal y agua.
Nomenclatura de anhídridos u óxidos ácidos Stock: Óxido de __(Nombre del elemento)___ (estado de oxidación en números • Stock: romanos) Tradicional: Anhídrido __(Nombre del elemento)__ oso Estado de oxidación menor • Tradicional: Anhídrido ___(Nombre del elemento)___ Estado de oxidación mayor Vemos que, a diferencia del anterior, en la nomenclatura tradicional se usa el término anhídrido. Esto facilita la comparación entre óxido básico y óxido ácido. Ejemplo: compuesto
Stock: Óxido de Azufre (IV) Tradicional: Anhídrido Sulfuroso Ejemplo: compuesto
Stock: Óxido de Azufre (VI) Tradicional: Anhídrido Sulfúrico
También en los anhídridos y óxidos el nombre del compuesto puede asignarse de acuerdo al número de oxígenos presentes con el auxilio de los prefijos mono, di, tri, etc. Este tipo de nomenclatura recibe el nombre de sistemática. Ejemplos CO Monóxido de carbono Dióxido de carbono Trióxido de dialuminio Los diferentes tipos de óxidos, ya sean básicos o ácidos, se distribuyen a lo largo de la tabla periódica como sigue:
3.1.3 Peróxidos Formados por oxígeno y element os del grupo I A y II A (representat ivos). El estado de oxidación del oxígeno es -1. Se nombran anteponiendo la palabra peróxido. Ejemplos Peróxido de Hidrógeno o Agua Oxigenada Peróxido de Sodio Peróxido de Calcio El agua oxigenada es un líquido molecular, mientras que los demás peróxidos, son sólidos iónicos. El agua oxigenada se descompone con el pasar del tiempo y, principalmente, bajo la acción de la luz, por esta razón se debe almacenar en frascos oscuros. La descomposición se realiza según la siguiente ecuación:
3.2 Compuestos hidrogenados 3.2.1 Hidruros Son compuestos binarios formados por hidrógeno y un metal o no metal. El estado de oxidación del hidrógeno en los hidruros metálicos es –1. Por lo tanto existen hidruros metálicos como no metálicos (estos últimos utilizan no metales de los grupos IVA y VA).
Nomenclatura Nomenclatura de hidruros Ejemplo: Compuesto
Stock: Hidruro de Aluminio Tradicional: Hidruro Alumínico Ejemplo: Compuesto LiH Stock: Hidruro de Litio Tradicional: Hidruro Lítico
Ejemplo: Compuesto
Stock: Hidruro de Plomo (II) Tradicional: Hidruro Plumboso
3.2.2 Hidrácidos Formados por hidrógeno y un no metal. Este pertenece al grupo VIA y VIIA. Hidrógeno presenta estado de oxidación +1
Nomenclatura Nomenclatura de hidrácidos El nombre es construido con la terminación hídrico. Ácido ___(Nombre del elemento)___ hídrico
HCl : Ácido clorhídrico HI : Ácido yodhídrico HF : Ácido fluorhídrico : Ácido sulfhídrico HCN : Ácido cianhídrico
Se observa que el estado de oxidación del hidrógeno es +1. Este es el que presenta en la mayoría de los compuestos, a excepción de los hidruros. El término ácido tiene relación con el pH que manifiestan estos compuestos.
3.3 Sales binarias Están formadas por un elemento metálico y otro no metálico. Se nombra primero el anión con terminación uro y luego, el metal. En el caso de las sales binarias, también se puede aplicar la nomenclatura tradicional. Ejemplos FeS Stock: Sulfuro d e Hierro (II) Tradicional: Sulfuro Ferroso
Stock: Yoduro de Hierro (III) Tradicional: Yoduro Férrico NaCl Stock: Cloruro de Sodio Tradicional: Cloruro Sódico
4. Compuestos ternarios Los compuestos ternarios están formados por tres elementos, independiente del número que estén presentes. Los compuestos ternarios que presentaremos son:
Hidróxidos Oxácidos Sales Ternarias
4.1 Hidróxidos Están formados formados por un metal metal y el grupo grupo hidroxilo hidroxilo ( básicos y agua.
), y se se generan a partir de óxidos óxidos
Ejemplo
NaOH Stock: Hidróxido de Sodio Tradicional: Hidróxido Sódico
Nomenclatura de los hidróxidos (Stock) Hidróxido de __(Nombre del elemento)__ (estado de oxidación en número romano) Como se observa, se coloca la palabra hidróxido antes del nombre del metal. El grupo tiene un estado de oxidación –1. En este caso no es necesario usar paréntesis para el grupo , ya que el metal tiene estado de oxidación +1. Cabe recordar que estos compuestos presentan pH básicos, de ahí que los óxidos básicos, que dan origen a los hidróxidos lleven tal denominación.
Otros ejemplos
Stock: Hidróxido de magnesio (II) Tradicional: Hidróxido magnésico
Stock: Hidróxido de aluminio nio (III) I) Tradicional: Hidróxido alumínico
Stock: Hidróxido de hierro hierro (II) Tradicional: Hidróxido ferroso
Stock: Hidróxido de cobre (II) I) Tradicional: Hidróxido cúprico
4.2 Oxácidos Son compuestos formados por hidrógeno, oxígeno y un no metal. Se originan a partir de anhídridos y agua. Ejemplo
Se observa que delante del nombre del elemento va la palabra ácido. En general, en este tipo de compuestos el nombre tradicional predomina sobre el IUPAC. Por otra parte, presenta características de pH ácido, de ahí el nombre del óxido respectivo que lo origina. Además, estos ácidos se disocian, dando origen a otros compuestos, principalmente aniones, junto con la liberación de iones hidrógeno. Veamos la disociación establecida para el ácido carbónico
Como presenta dos disociaciones, también se dice que es un ácido diprótico (dos iones hidrógeno). Si un ácido tuviera tres disociaciones, sería un ácido triprótico (tres iones hidrógeno), y así sucesivamente. Otros ejemplos de oxácidos HClO : Ácido hipocloroso : Ácido cloroso : Ácido clórico : Ácido perclórico : Ácido nitroso : Ácido nítrico : Ácido sulfuroso : Ácido sulfúrico : Ácido fosfórico : Ácido bórico : Ácido mangánico : Ácido permangánico : Ácido crómico : Ácido dicrómico
4.3 Sales ternarias Estos compuestos están formados por la unión de un catión y un anión. El anión tiene su origen en un oxácido que ha perdido sus hidrógenos. En general, se puede decir que el nombre de una sal, ya sea binaria o ternaria, deriva del ácido que le da origen. Así, para obtener el nombre de una sal, basta alterar la terminación del nombre del ácido correspondiente de acuerdo con el siguiente código:
Stock: Nitrito de sodio Tradicional: Nitrito sódico
Stock: Sulfato de hierro (III) Tradicional: Sulfato férrico
Stock: Fosfato de calcio Tradicional: Fosfato cálcico
5. Mineralogía De los elementos químicos que existen en la naturaleza son sólo 8 los que conforman casi el 98% de la corteza terrestre. Los elementos más abundantes son el Oxígeno (46,6%) y el Silicio (27,7%). Sin embargo, muy pocos elementos se encuentran en forma nativa, gran parte de ellos se hayan formando compuestos y como tales, pueden reaccionar con otros compuestos o elementos, produciendo nuevas combinaciones químicas y dando origen a un mineral.
5.1 Rocas Son agregados inorgánicos y naturales formados por uno o más minerales en diversas proporciones. A nivel de litósfera, se distinguen tres tipos de rocas que se diferencia por su distinta formación. formación.
5.2 Mineral Es un elemento o compuesto químico formado a través de un proceso natural. A pesar de las posibles variaciones en su composición, los minerales se representan por fórmulas químicas.
5.2.1 Propiedades de los minerales Todo mineral puede ser caracterizado por propiedades físicas que lo identifique. Dentro de estas propiedades, se destacan la exfoliación y la dureza del mineral. - Exfoliación: Si por ejemplo se golpea un mineral de calcita, éste se rompe en muchos fragmentos que tienen la misma forma que la del cristal del cual proceden (romboedros). Esta tendencia del mineral a partirse a lo largo de una o más direcciones cuando es golpeado o comprimido se llama exfoliación. La exfoliación está muy relacionada con la estructura del cristal, es decir, con la fuerza de enlace de los átomos que lo componen. Así, algunos de estos enlaces son más débiles en unas direcciones que en otras. - Dureza: Es la resistencia que ofrece la superficie lisa de un mineral a ser rayada. El mineralogista Friedrich Möhs estableció, en 1812, una escala de dureza aún vigente. Seleccionó diez minerales tipo y los dispuso de tal forma que cada uno pudiera rayar sólo a los anteriores y fuera rayado por los posteriores. La escala presenta 10 niveles de dureza que van del 1 al 10.
La dureza de un mineral depende de su composición química y también de la disposición de sus átomos. Cuanto más grande son las fuerzas de enlace, mayor será la dureza del mineral. El grafito y el diamante, por ejemplo, son de la misma composición química, solamente se constituyen de átomos de carbono. Sin embargo, el grafito tiene una dureza según Möhs de 1, mientras que el diamante una dureza de 10 en la misma escala.
5.3 Clasificación de los minerales Aunque en la naturaleza se conocen más de 2000 minerales y todavía se siguen descubriendo minerales nuevos, solamente unos pocos de ellos componen la mayor parte de la corteza terrestre. La clasificación mineralógica moderna se basa en la composición química, atendiendo al ión negativo presente en cada estructuras. Así, se establecen categorías o clases de minerales dependiendo de los átomos, moléculas o iones que los componen. 5.3.1 Elementos nativos Son los elementos que pueden encontrarse en la naturaleza sin combinar con átomos de otros elementos. • Oro (Au) (Au) • Cobre (Cu) • Azufre (S) (S) • Plata (Ag) • Diamante
5.3.2 Sulfuros Son minerales que presentan el ión sulfuro en su estruct ura. Tienen propiedades semiconductoras, y por su aspecto, se asemejan a los semimetales. Existen algunas especies de gran interés industrial pues de éstos se extraen casi todos los metales no férreos. • Galena (PbS) • Pirit a ( ) • Calcopirit a ( • Ar Argent it a ( ) • Blenda (ZnS)
)
5.3.3 Halogenuros Pequeño grupo de minerales formados por sustancias similares a la sal de mesa, procedentes de la evaporación de aguas o bien, derivadas de transformaciones de otros minerales e incluso de depósitos volcánicos. Son minerales cuyos aniones característicos son los halógenos (grupo VIIA). • Halita (NaCl) • Silvina (KCl) • Fl Flourit a ( )
5.3.4 Óxidos Grupo de minerales formados por metales (o semimetales), más oxígeno. Algunos de ellos tienen gran interés industrial y pueden presentarse en grupos cristalizados muy vistosos. Existen óxidos oscuros, mientras que otros son muy claros. • Cuprit a ( • Corindón ( • Hemat it a (
) ) )
5.3.5 5.3.5 Carbonat os Grupo Grupo de mineral minerales es que presen presenta ta al anión anión carbonato carbonato ( dureza 2 según la escala de Möhs. • Calcit a ( • Malaquit a (
) en su estructura. estructura. Prese Presentan ntan
) )
5.3.6 5.3.6 Nitratos, fosfatos y sulfatos Generalmente se trata de grupos formados por alteraciones de distintos minerales metálicos de colores atractivos y con espléndidos cristales, usualmente pequeños. Los nitratos y fosfatos presentan amplio uso en la agricultura tura como fertilizantes. • S al ali ttrre p ot ot ás ás ic o ( ) • Yeso ( x2 ) • Ap pa at itit o ( (F, Cl, O H) H)(
))
5.3.7 Silicatos Es el grupo más important e debido a la abundancia de silicio que se encuentra en la corteza terrestre. Los silicatos se presentan a como cristales de dimensiones variables y, se caracterizan la mayor parte de ellos por una elevada dureza (7 según Möhs). • Circón ( • Cuarzo ( • Talco ( • Mica (
) )
CAPÍTULO 3: ESTEQUIOMETRÍA
La estequiometría tiene por finalidad establecer aquellas relaciones entre reactantes y productos en una reacción química. Los reactantes son los precursores del proceso y los productos es lo que se obtuvo una vez finalizada la reacción. Aprendizajes esperados Conocer las leyes que rigen la estequiometría. Aplicar el concepto de mol. Desarrollar relaciones estequiométricas. Describir el comportamiento gaseoso. 1. Estequiometría La estequiometría tiene por finalidad establecer aquellas relaciones entre reactantes y productos en una reacción química. Los reactantes son los precursores del proceso y los productos es lo que se obtuvo una vez finalizada la reacción. Para entender como se establecen estas relaciones, se sugiere conocer las leyes que rigen la estequiometría.
1.1 Ley de la conservación de la masa (ley de Lavoisier) “En toda reacción química la masa de los reactantes será igual a la masa de productos”. m Reactantes = m Productos Esta ley reafirma que en la naturaleza nada se crea ni destruye, sólo se transforma. Por lo tanto, en todo proceso químico no puede observarse una variación entre las masas respectivas, cualquier anomalía es indicio de que lo que estamos haciendo no se comporta como debe ser. Ejemplo El óxido de cobre (II) se forma a través de oxígeno y cobre metálico. Si la masa de óxido es 35 g y la del metal 5 g, estimar la masa de oxígeno. óxido Aplicando la ley, tenemos: m cobre + m oxígeno = m óxido m oxígeno = m óxido - m cobre m oxígeno = 35 g - 5 g m oxígeno = 30 g
1.2 Ley de proporciones definidas (ley de Proust) “En un compuesto dado, los elementos participantes se combinan siempre en la misma proporción, sin importar su origen y modo de ob tención”. Por ejemplo, en el óxido de zinc (II), el cual está formado por zinc y oxígeno, el zinc está presente en un 80,3% y el oxígeno, en un 19,7%. Esto quiere decir que si sintetizamos este óxido básico, veremos que, desde el punto de vista de la masa, habrá siempre dicho porcentaje de cada elemento. Ejemplo El óxido de zinc (II) tiene un 80,3% de zinc y un 19,7% de oxígeno. Si la masa del óxido básico es 145 g, estimar la masa de zinc y oxígeno presentes. M zinc = % de zinc x masa óxido M zinc = (80,3/100) x 145 g M zinc = 116,435 g M oxígeno = % de oxígeno x masa óxido M oxígeno = (19,7/100) x 145 g M oxígeno = 28,565 g Al sumar las masas correspondientes, obtendremos la masa del óxido. 116,435 g + 28,565 g = 145 g Con esto se manifiesta, una vez más, que la ley de la conservación de la masa también se hace presente.
1.3 L ey de las proporciones múltiples (ley (ley de Dalton) “Si dos elementos forman más de un compuesto, estableciéndose fija la composición de uno de ellos, el otro elemento estará en razón de números naturales (enteros y sencillos)”. Esta ley puede ejemplificarse a través de los anhídridos del nitrógeno. Los anhídridos son:
NO
Ejemplo: si fijamos una masa de oxígeno en 7 g, las masas de nitrógeno en cada compuesto serán, respectivamente
Podemos observar que las masas de nitrógeno y oxígeno presentan una cierta razón entre sí: 4 : 8 : 12 : 16 : 20 = 7 : 7 : 7 : 7 : 7 Como las masas de nitrógeno son múltiplos de 4, se hace la simplificación correspondiente: 1:2:3:4:5 De esta manera queda demostrada la aplicación de esta ley.
1.4 Ley de las proporciones recíprocas (ley de Richter) “Si dos o más compuestos se combinan con una masa fija de un elemento del compuesto, compuesto, lo harán en una ra zón de números enteros y sencillos” sencillos”..
Ejemplo Si en el y en el cloro y el oxígeno.
se mantiene fija la masa de carbono, estimar la razón entre el
La razón entre los elementos es 1 : 4 (C y Cl) y 1 : 2 (C y O), pero la razón entre los elementos mencionados es del tipo 4 : 2 ó 2 : 1, por lo tanto, se cumple la ley.
2. Términos de estequiometría A continuación, presentaremos algunos términos muy usados para explicar la relación entre reactantes y productos. 2.1 Unidad Unidad de masa at ómica ómica (uma) Es la unidad que se usa para expresar cuál es la masa de un átomo, y equivale a 1 uma = 1,66 x
g
Veamos su aplicación en los siguientes ejemplos. Ejemplo 1. Calcular la masa del átomo de Al en gramos, sabiendo que presenta 26,98 uma.
Ejemplo 2. Establecer la unidad de masa atómica, si la masa del átomo de Na es 3,81 x
g
2.2 Mol (n) Es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales (átomo, moléculas o iones) como átomos hay en 0.012 kg de carbono 12 o en 12 g del mismo átomo. 2.3 Constante de Avogadro Es la constante que establece una relación entre el número de entidades y la cantidad de sustancia. Su valor es: 6.02 x
entidades ·
Hipótesis de Avogadro Todos los gases tienen un mismo volumen en igual condición de presión y temperatura, conteniendo el mismo número de moléculas. Un mol de cualquier gas en C.N.P.T. son 22,4 litros. Así:
= 22,4 L/mol
En general, podemos decir que el concepto de Mol y la constante de Avogadro están estrechamente relacionados. Así, un mol de entidades (átomos, moléculas o iones) equivale a decir que hay 6,02 02 x de estas entidades. Cuando decimos una docena sabemos que son
doce unidades, si tenemos una resma de papel implica poseer 500 hojas, etc. Entonces, 1 mol = 6,02 x 1 mol = 6,02 x 1 mol = 6,02 x
átomos moléculas iones
Ejemplo Calcular el número de átomos que hay en 2,3 moles de Zn. Como nos están preguntando por número de átomos, debemos usar la expresión de la constante, entonces,
Es decir, en 2,3 mol mol de Zn hay 1,38 x
átomos de Zn.
2.4 Masa molar (MM) Es la relación que se establece entre la masa de la entidad y la cantidad de moles. Se expresa:
Podemos conocer la masa molar de un átomo, molécula o ión y para ello sólo requerimos saber los datos de la masa atómica y la cantidad de átomos. Ejemplo Calcular la masa molar del elemento son, respectivamente:
, sabiendo que las masas atómicas (Ma. t) de cada
M. at Cu = 64 g/mol M. at O = 16 g/mol M. at H = 1 g/mol La masa molar del hidróxido de cobre (II) será la suma de las masas atómicas de los elementos que lo constituyen, considerando el número de átomos de cada elemento. MM
= M. at Cu + 2 M. at O + 2 M. at H
Lo que significa que un mol de hidróxido de cobre (II) tiene una masa de 98 g. Del término masa molar podemos dar origen a otras dos expresiones:
En la primera, podemos calcular el número de moles (n) conociendo la masa y la masa molar de la sustancia. En la segunda podemos calcular la masa conociendo los moles (n) y la masa molar (MM).
2.5 Relación Relación entre masa molar y la constant e de Avogadro
En este punto veremos las relaciones que se pueden establecer entre la masa molar y la constante de avogadro. avogadro. De este modo, tenemos: 1 mol mol = 6,02 x
átomos = masa molar (MM) o masa atómica (M. at)
Ejemplo
¿Cuántos átomos de Aluminio hay en 10 g del metal, sabiendo que la masa atómica del Aluminio es de 27 g/mol? Solución Como se necesita determinar el número de átomos de aluminio en una cantidad conocida del metal, es preciso utilizar la relación anterior. I.
II.
3. Ecuaciones químicas Una vez que se determina la naturaleza de los reactantes y los productos, es posible describir una reacción mediante una ecuación que indique la naturaleza y cantidades de las sustancias que participan en ella. Para ilustrar los principios que intervienen, se considerará la reacción que se efectúa en el motor de un cohete que emplea hidracina como combustible y tetraóxido de dinitrógeno como oxidante. Se ha establecido experimentalmente que las fórmulas moleculares para estas dos sustancias, ambas líquidas, son y , respectivament e. El análisis de la mezcla que sale del escape del cohete muest ra que se compone de nitrógeno gaseoso elemental, , y agua líquida. Para describir una ecuación balanceada de esta reacción, se procede así: a. Primero se escribe una ecuación no balanceada, en la que aparezcan las fórmulas de los reactantes a la izquierda y las de los productos a la derecha.
b. Se balancea la ecuación tomando en cuenta la ley de conservación de masa, que requiere que haya el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación.
Nota (1): el número de moles o litros totales de los reactantes comparado con los de los productos, pudiera no resultar siempre igual, lo cual no indica que la reacción no esté balanceada. Nota (2): XAy ; X : Coeficient Coeficient e estequiomét rico A: Compuesto y: Subíndice
c. Para indicar los estados físicos de los reactantes y productos en la ecuación se emplearán las letras (g), (I) y (s) para representar gases, líquidos puros y sólidos respectivamente.
Cuando se trata de reacciones que tienen lugar en disoluciones acuosas se emplearán los símbolos (ac o aq) para indicar una especie disuelta (ión o molécula).
Nota (3): Sobre el tipo y sentido de las flechas y símbolos que se ocupan para la descripción de una reacción química.
d. Interpretación de ecuaciones estequiométricas. Los coeficientes de una ecuación estequiométrica indican el número de moles o moléculas de los reactantes y de los productos que participan en una reacción. Luego, la ecuación:
Indica que dos moles de reaccionan con un mol de , obteniéndo se tres moles de y cuatro moles de . Es important e tener en cuenta que una reacción estequiomét rica continúa conservando su validez si cada uno de los coeficientes se multiplica por un mismo número. Ejemplo:
Indica que 4 moles de Al se combinan con 3 moles de
y se obtienen 2 moles de
En resumen, los coeficientes de una ecuación estequiométrica dan directamente los números relativos de moles de reactantes y productos; también permiten calcular la cantidad de masa involucrada en el proceso. 4. Relaciones estequiométricas A continuación, estableceremos el procedimiento para predecir la masa de un compuesto a partir de otro. Para esto, es importante considerar los coeficientes estequiométricos de la reacción. Sea la siguiente reacción:
Calcular la masa de tricloruro de aluminio que se produce a partir de un gramo de aluminio. Datos
Solución: I.
II.
En este caso, se presenta una relación entre reacta ntes y productos. Sin embargo, esta relación también puede establecerse entre los reactantes o entre los productos. Una observación importante apunta a que la relación no necesariamente debe establecerse entre las entidades que contienen a un elemento en común sinó también, puede hacerse entre los otros participantes. Es importante, además, que exista un equilibrio entre reactantes y productos en cuanto al número de átomos presentes. Debe procurarse el mismo número. Esto hará que los cálculos sean menos complejos. El equilibrio puede realizarse por simple deducción.
5. Composición porcentual La composición porcentual nos informará sobre el porcentaje del elemento presente en el compuesto. Para poder lograrlo se debe saber: - Fórmula del compuesto . - Masa atómica del elemento y - Masa molar del compuesto Ejemplo: Sea el compuesto formado por hidrógeno, azufre y oxígeno, cuya fórmula es:
Si las masas atómicas respectivas son: M. at H = 1 g/mol M. at S = 32 g/mol M. at O = 16 g/mol Determine la composición porcentual de cada elemento. I. Primero se calcula la masa molar del compuesto. Solución:
II. Se divide cada valor anterior por el peso molecular del compuesto:
6. Reactivo límite La mayoría de las reacciones químicas no ocurren en forma ideal. Por lo tanto, los reactantes no se consumen totalmente. En este caso se habla de reactivo límite. El reactivo límite se produce cuando un compuesto se consume completamente y el otro queda en exceso. Esta reacción no se verifica estequiométricamente y el reactivo límite es el que se consume primero. Ejemplo: Para la reacción:
Determine el reactivo límite, sabiendo que se usó 1 kg de Al y 1 kg de óxido férrico. a) Se debe establecer la razón estequiométrica entre el número de moles de los reactantes para tener este valor como referencia y determinar cuál está en exceso. La razón estequiométrica ideal es:
Es decir, por cada mol de óxido se necesitan 2 moles de aluminio. b) Se determina el número de moles utilizando los datos del problema.
c) Se establece la razón est equiométrica con est os valores y se compara con la ideal:
Se observa que esta razón es menor a la esperada, por lo tanto, el que está en exceso es el aluminio (porque se fijó al óxido como referencia). Luego, el reactivo límite es el óxido férrico. Con esta relación, se puede determinar la cantidad de moles de aluminio que quedan en exceso. Entonces, n Al = n / 0.5 n Al = 6.26 mol / 0.5 = 12.52 mol Los moles de aluminio en exceso se calculan de la siguiente manera: n Al exceso = n Al real – n Al teórico n Al exceso = 37,06 mol – 12,52 mol n Al exceso = 24,54 mol Por último, se puede determinar la masa de hierro que se obtiene al hacer la reacción. n Fe / n Al = r Fe ÷ r Al n Fe = r Fe · n Al ÷ r Al n Fe = (2 · 12,52 mol) /2 n Fe = 12,52 mol Luego: M Fe = n Fe · MM Fe M Fe = 1 2,52 mol · 55,85 g/mol M Fe = 699,24 g Resumiendo los conceptos, tenemos que: - El reactivo límit e es el óxido férrico. Él será quien se consuma primero. - El reactivo en exceso es el aluminio. Es decir, luego uego de ocurrida la reacción, aún quedará masa de este metal. - Una vez establecido el compuesto que está en exceso, se puede calcular el producto pedido, mediante la razón establecida.
7. Leyes fundamentales de los gases En este punto trataremos aquellos hechos que tienen relación con el comportamiento de los gases. Un gas es un estado de la materia que se caracteriza por su gran desorden (en comparación con los líquidos o los sólidos). Las moléculas que conforman el gas, se desplazan en el recipiente que las contiene en trayectoria recta y a una velocidad elevada, produciéndose choques entre éstas. En estos choques no se pierde energía. Los factores que influyen en gran medida en el comportamiento de un gas son los siguientes temperatura, presión y volumen
7.1 Va riables de los gases 7.1.1 7.1.1 Temperat ura La temperatura es una forma de expresar el comportamiento de los estados de la materia en términos de grado. La escala Kelvin se considera como la escala universal de temperatura y se establece su valor en cero, que indica cese total del movimiento molecular. Sin embargo, el cero absoluto no se puede lograr. Las escalas se fijan de acuerdo al comportamiento del agua.
a. Escala de Kelvin Su rango de temperatura es: 0 K, ………....,., -273 ,15 ºC 100 K, …………, -1 73.15 °C
b. Escala Celsius Su rango de temperatura es: 0° C, ……......, 273,15 K 100º C , ………...., 3 73,15 K
c. Escala Fahr enheit Su rango de temperatura es: 0 F, …………., -17,77 °C 100 F, ... .... ... ...., 37,77 ºC
• Relación Relación entre escala Celsius y Fahrenheit Para expresar los grados Celsius en Fahrenheit, se usa la siguiente expresión:
Ejemplo: expresar 25 °C en grados F.
Para transformar grados Fahrenheit
a grados Celsius, se usa:
Ejemplo: expresar 56 F en grados Celsius.
• Relación entre escala Celsius y Kelvin Kelvin Para transformar grados Celsius a grados Kelvin se usa:
Ejemplo: expresar 25 °C en grados Kelvin
Para transformar grados Kelvin a grados Celsius se usa:
Ejemplo: 100 K en grados Celsius
7.1.2 Presión La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de área. La fuerza es la masa por la aceleración. Las unidades que se usan para expresar presión son las siguientes: 1 atmósfera = 10 M columna de agua 1 atmósfera = 760 mmHg 1 atmósfera = 101320 Pa 1 mmHg mmHg = 1 Torr Ejemplo: expresar 10 atmósferas en mmHg y en Pascal.
7.1.3 Volumen El volumen es el espacio que ocupa un cuerpo en el universo. Las Las unidades de volumen son las siguientes:
Estas equivalencias nos permiten ir de una unidad a otra para expresar volumen. Ejemplo
Expresar en metros cúbicos, un volumen de 535
A continuación, veremos cómo se relacionan estas tres variables que describen el comportamiento gaseoso, expresadas a través de leyes. En este caso se hablará de un estado inicial y un estado final de un determinado sistema, el que permite describir al gas en ambas situaciones.
7.2 L ey de los gases 7.2.1 Ley de Avogadro “El volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad de sustancia (número de moles), a temperatura y presión estándar o condiciones normales de presión y temperatura temperatura (presión: 1 atm y temperatura 0°C)”.
Usando una constante de proporcionalidad, logramos igualar volumen y cantidad de sustancia.
Gráficamente, se expresa:
7.2.2 Ley de Boyle y Mariott e “El volumen de cierta masa de ga s es inversamente proporcional a la presión, a una temperatura constante”.
Luego,
Gráficamente se expresa:
7.2.3 Ley de Charles “El volumen de cierta masa de gas es directamente proporcional a la temperatura, a presión constante”
Por lo tanto,
Gráficamente se expresa
En esta ley, la temperatura debe expresarse en grados Kelvin.
7.2.4 Ley de Gay - Lussâc “La presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura a volumen constante”
Por lo tanto,
Gráficamente se expresa
7.2.5 Ley combinada de los gases Esta ley relaciona volumen, temperatura y presión, dando origen a una constante. En este caso no varía la masa del gas. Su expresión es:
Por lo tanto,
Experimentalmente, se comprobó que esta expresión dio origen a la ecuación de estado para un gas ideal.
7.2.6 Ecua ción de gases ideales
En donde: P = presión V = volumen n = número de moles de sustancia R = constante de los gases T = temperatura La constante R de los gases tiene los siguientes valores: R = 0,082 atm l / mol K R = 8,314 J / mol K R = 1,987 cal / mol K El valor de R debe ocuparse de acuerdo al sistema de unidades que se está traba jando. Se puede observar que en todas las expresiones aparece el grado Kelvin. Es debido a este hecho, que en la Ley de Charles debe usarse la escala Kelvin de temperatura. Un gas ideal será aquel que se comporta bajo ciertas condiciones denominadas “ideales”. Un gas real, entonces, será aquel que no se comporta idealmente. Ejemplos 1. Dada la siguiente ecuación:
a. ¿Cuántos gramos gramos de de sulfato fato de cobre cobre ( que reacciona?
) se form formarán arán por cada cada mol mol de cobre cobre (Cu) (Cu)
Solución: i.
ii.
b. ¿Cuánt os gramos de cobre se requerirán para producir 100 g de sulfato de cobre ? Solución i.
ii.
2. El agua con el cloro reaccionan de acuerdo a la siguiente reacción quí mica:
a. De acuerdo a lo anterior, ¿cuánt os litros de
se producirán a partir de 45 g de agua?
Solución
Nota: 1 Mol de gas en C.N.P.T= 22,4 L i.
ii.
CAPÍTULO 4: DISOLUCIONES
Las disoluciones donde el disolvente es agua, reciben el nombre de disoluciones acuosas. Por esta razón, el agua recibe el nombre de disolvente universal, independientemente de su cantidad en la disolución. Aprendizajes esperados • Reconocer soluto de disolvente. • Identificar expresiones usadas en disoluciones. • Comprender el significado de la solubilidad. 1. Disoluciones Un aspecto muy importante para el análisis químico, está relacionado con el concepto de disolución.
En general, una disolución nos indica la relación entre dos componentes: el soluto y el disolvente. El soluto será aquel que esté en menor proporción. El disolvente será el que esté en mayor proporción y es el que disuelve al soluto.
1.1. Características de las disoluciones - Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más más sustancias. - No debe existir reacción entre el soluto y el disolvente, es decir, no se deben crear nuevos compuestos. - El soluto y el disolvente deben co-exist ir en una misma fase. Por fase entenderemos el estado de la materia en que se encuentran ambos componentes. Luego, se distinguen tres fases: sólida, líquida o gaseosa. - El soluto y el disolvente no deben separarse por procesos físicos, como por ejemplo, decantación o centrifugación.
1.1.1 Clasificación de las disoluciones según la polaridad del disolvente • Soluciones iónicas: Son aquellas en que el soluto es un electrolito y el disolvente es polar, constituyendo una mezcla conductora de electricidad por la formación de iones en el seno de la disolución. Ejemplo:
• Disoluciones moleculares: Se forman entre aquellas sustancias no electrolitos y solventes apolares, las moléculas del soluto no se disocian y están rodeadas por el disolvente. • Disolucione Disoluciones s a cuosas: Son disoluciones donde el disolvente es agua.
1.1.2 Clasificación de las disoluciones según el número de componentes • Binarias (dos componentes) • T ernarias ernarias (tres componentes)
1.1.3 Clasificación de las disoluciones según la fase en la que se encuentra el disolvente • Estado gaseoso: Gas – Gas Gas : Atmósf era Líquido – Gas : Aire húmedo Sólido – Gas : Polvo en aire
• Est ado líquido: Gas – Líquido : en bebidas gaseosas Líquido – Líquido : Alcohol en agua Sólido – Líquido : Azúcar en agua
• Estado sólido: sólido: Gas – Sólido : Hidrógeno en platino Líquido – Sólido : Mercurio en cobre Sólido – Sólido : Aleación de oro–plat a, bronce
Otras mezclas, que poseen características diferentes a las disoluciones son las suspensiones y los coloides. coloides.
1.2. Suspensiones Son mezclas que poseen partí culas mayores que mm de diámetro, por ello son visibles al microscopio. Dichas partículas son atraídas por la fuerza de gravedad sedimentando y, por consiguiente, tienden a separarse del disolvente. Mientras mayores sean las partículas, mayor será la velocidad de sedimentación. Ejemplo: la sangre (elementos figurados en el plasma), la mezcla entre arena y agua, algunos medicamentos (jarabes), refrescos elaborados con frutas naturales y algunas pinturas vinílicas. Analizando la estabilidad entre los componentes que forman la mezcla, es decir, el tiempo que tienden a estar unidos, se tiene que:
1.3. Coloides Sistema compuesto por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas, de tamaño ínfimo. Luego, se trata de partículas que no son apreciables a simple vista, sin embargo, son mucho más grandes que cualquier molécula. En general, un coloide por excelencia es aquel en el que la fase continua es un líquido y la fase dispersa son partículas sólidas. Sin embargo, pueden encontrarse coloides cuyos
componentes se presentan en otros estados de agregación. Algunos ejemplos de coloides son: espuma, aerosol líquido, emulsión.
2. Expresiones en disoluciones
2.1 Porcentaje masa masa (% m/m) m/m) Es la masa de soluto que está contenida en 100 g de disolución. % m/m = g soluto → 100 g de disolución Es posible expresar el % m/m mediante una fórmula:
Ejemplo 1 Se disuelven 12 g de cloruro de sodio (NaCl) en 200 g de agua. Calcule el % m/m del NaCl. Respuesta:
Ejemplo 2 Se tiene una disolución ón de disolvente presentes en la disolución.
al 30% m/m. Determine los gramos de soluto y de
Respuesta: m/m, significa que presenta 30 gramos de soluto Si una disolución se encuentra al 30% m/m, en 100 gramos de disolución . Por lo tanto, Disolución = Soluto + Disolvente 100 g 30 g 70 g
2.2 Por centa je masa masa volumen (% m/v) m/v) Es la masa de soluto que se encuentra en 100 mL de disolución
Ejemplo 1 Se disuelven 13 g de cloruro de aluminio en 215 ml de disolución. Calcular el porcentaje peso volumen de la sal.
Ejemplo 2 Determinar el % m/v de una disolución que presenta 65 g de disueltos en 170 mL de disolución.
(sulfato cúprico)
2.3 P orcent aje volumen volumen volumen (% v/v) Es el volumen de soluto que se encuentra en 100 mL de disolución. Recordemos que los volúmenes no son aditivos, es decir, no deben ser sumados (sólo podemos hacerlo cuando las densidades sean iguales).
Ejemplo 1 Se disuelven 40 mL de alcohol en agua, resultando 200 mL de disolución. Calcular el porcentaje volumen volumen de la disolución hidroalcohólica.
2.4 Molaridad (M) Es la cantidad de moles de soluto que se encuentran en un litro de disolución. Se expresa en mol/L
Ejemplo 1 Se disuelven 40 g de NaOH en agua hasta completar 400 mL de disolución. La MM del NaOH es de 40 g/mol. Calcular la molaridad del hidróxido de sodio. Resolución
Aplicando la relación anterior:
Otra manera de obtener el resultado, es la siguiente: a) se calculan los gramos de soluto uto disuelt os en 1000 mL de disolución.
b) Se calcula la molaridad. dad.
Ejemplo 2 ¿Cuántos gramos de cloruro de sodio están disueltos en 200 mL de disolución cuya molaridad es 0.5 M? MM NaCl = 58 g/mol. Respuesta:
Ejemplo 3 Calcular la molaridad del bicarbonato de sodio, si 40 g de la sal están disueltas en un volumen de 245 mL. La MM de es 84 g/mol.
Respuesta:
2.5 Molalidad (m) Es la cantidad de moles de soluto que están disueltos en 1000 g (1 kg) de disolvente. Se expresa en mol/kg.
Ejemplo Se disuelven 20 g de en 200 g de agua. Calcular su molalidad (m). La masa molar del sulfato de potasio es de 174 g/mol. Respuesta:
Otra forma de obt ener el resultado tado es: a) Calcular los gramos de soluto disuelt os en 1000 g de disolvente.
b) Cálculo de molalidad idad
Lo que implica que la disolución es 0,574 molal. 2.6 Pa rt es por millón millón (ppm) Se define como los miligramos de soluto disueltos en 1000 g ó 1 kilogramo de disolución.
Ejemplo Calcular la concentración, en ppm, de una disolución que contiene 0,85 g de disueltos en 670 g de solución. Respuesta: a) 1 g → 1000 mg 0,85 g → X mg X= 850 mg b)
2.7 Fr acción molar (Xn) Es la cantidad de moles de soluto y de disolvente, respectivamente, que hay presente en una cierta cantidad de moles de disolución.
En general, se cumple que: Xn = X soluto + X disolvente =1
Ejemplo Se disuelven 30 g de en 500 g de agua. Calcular la fracción molar del soluto y del disolvente. MM = 101 g/mol y MM agua = 18 g/mol. Respuesta:
Luego, las fracciones molares de la sal y el agua:
3. Relaciones entre las expresiones que informan sobre una disolución 3.1 Molaridad en función función de porcentaje masa masa Se puede determinar la molaridad de una disolución, conociendo el porcentaje masa masa de ella, mediante la siguiente relación.
Ejemplo Establecer la molaridad de NaOH si la densidad de la disolución es 0.9 g/mL. El porcentaje masa masa de NaOH en la disolución es 20%. La masa molar del NaOH es 40 g/mol.
3.2 Molalidad en función de porcentaje masa masa
Ejemplo ¿Qué molalidad (m) tiene una disolución si su porcentaje masa masa es 20%, sabiendo que la masa molar del soluto es 24 g/mol? Ocupando la expresión anterior:
3.3 Porcentaje masa volumen en función de porcentaje masa masa
Ejemplo Calcular el porcentaje masa volumen, si la densidad de la disolución es 0.9 g/mL y presenta un porcentaje masa masa de 20%. Empleando la expresión anterior: % masa volumen = 20 · 0.9 g/mL = 18 g/mL % masa volumen = 18 % m/v
4. Mez clas y diluciones diluciones 4.1 Mezclas La mezcla de disoluciones nos va a permitir observar los cambios que ocurren entre éstas. Supondremos que ambas disoluciones son distintas y que no dan origen a un compuesto nuevo. Presentemos algunas observaciones previas: - Recordemos que los volúmenes no son aditivos (no se pueden sumar, salvo que tengan igual densidad). - Podemos hacer adición sólo con masas y cantidad de sustancia. - La disolución final tendrá una mayor cantidad de sustancia y una mayor masa. - La densidad de la disolución final será distinta de las disoluciones progenitoras.
4.2 Dilución de una disolución El término dilución implica hacer menos concentrada una disolución. Si mantenemos la cantidad de moles constante en una disolución, podremos afirmar que: - Un aumento del volumen implica una disminución de la concentración. - Una disminución del volumen implica un aumento de la concentración. La expresión que nos da cuenta de esta variación es la siguiente:
Donde los subíndices 1 y 2 indican situación inicial y final, respectivamente. Veamos un ejemplo Calcular la concentración final, de una disolución que tiene una concentración inicial de 0,3 M en un volumen de 150 mL a la que se le agrega agua hasta completar un volumen de 600 mL. Respuesta:
Se observa que un aumento del volumen disminuye la concentración, lo que es correcto respecto a observaciones hechas anteriormente.
5. Solubilidad En este capítulo, abordaremos la formación de compuestos que en un disolvente no se disuelven completamente. El término que nos permitirá explicar tal suceso es la solubilidad. La solubilidad es la masa máxima de soluto que puede ser disuelta en una masa de disolvente. Vamos a distinguir tres casos: 1. Cuando el disolvente puede seguir disolviendo al soluto, se dice que la disolución está insaturada. 2. Cuando el disolvente no puede disolver más al soluto, se dice que la disolución está saturada (se llega a un máximo). 3. Cuando el disolvente es forzado a disolver una gran cantidad de soluto, se dice que la disolución está sobresaturada. El primer caso es una situación estable, el segundo medianamente estable y la última situación es inestable. Las unidades que se usan para expresar solubilidad son g y mL (unidades de masa y volumen). Esto quiere decir que en un cierto volumen de disolvente habrá disuelta una masa determinada de soluto. Sin embargo, la solubilidad no debiera llevar unidades dado que se usa la dimensión de masa para disolvente y para soluto. Luego, la solubilidad es adimensional. Veamos un ejemplo: Calcular la solubilidad dad de si se han disuelto, como máximo, 35 g de sal en 100 mL de agua, a una temperatura de 35 °C. Solución:
Esto significa que en 100 mL de agua se disolverán como máximo 35 g. Luego, la disolución está saturada. Si hubiera 30 g, la disolución estará insaturada y si hubiera 38 g, estará sobresaturada. Utilizando la densidad del agua (1 g/mL), tenemos:
Este valor puede llevarse a porcentaje, entonces:
0.35 x 100% = 35% Lo que nos informa que sólo un 35% del que se indique.
estará disuelto en la masa de disolvente
Para el el Pb( ) , a 20 20 ºC, la masa máxima máxima que que se disuelve disuelve es es 50 g en 100 100 g de disolvente. solvente. Por lo tanto, la solubilidad es 0,5 o 50% .
6. Factores de solubilidad Los factores son las variantes en el proceso que pueden modificar la solubilidad de un soluto en un disolvente determinado. En este caso, los factores que intervienen en la solubilidad son: - Temperatura
- Naturaleza química - Presión
6.1 Temperatura Si el disolvente es líquido y el soluto es sólido, un incremento de la temperatura hará que aumente la solubilidad del soluto. Si hay disminución de la temperatura habrá una menor masa por disolver. Esto se puede explicar a través del estado del líquido. A medida que aumenta la temperatura, el disolvente pasará al estado gaseoso y si disminuye, pasará al estado sólido, dificultando o permitiendo la solubilidad del soluto. Si el disolvente es líquido y el soluto es gas, un incremento de la temperatura hará que disminuya la solubilidad. Puesto que el soluto escapará de la disolución. Por el contrario, una disminución de temperatura, hará que aumente la solubilidad de la disolución. Si el disolvente es líquido y el soluto es líquido, un incremento de la temperatura hará que aumente la solubilidad. Sin embargo, en este caso, la gran mayoría de las disoluciones tiene una solubilidad muy grande sin siquiera una variación de la temperatura.
6.2 Naturaleza química Si el soluto es un electrolito, éste tendrá una mejor solubilidad en un disolvente polar. Si el soluto es un no electrolito, éste tendrá una mejor solubilidad en un disolvente apolar. En general, si el soluto no está en un disolvente de iguales características su solubilidad se verá afectada, incluso no podría ser disuelto.
6.3 Presión La presión influye en aquellas disoluciones en donde el soluto o disolvente es gas, principalmente. Si hay un aumento de presión, el volumen disminuirá y la solubilidad del compuesto aumentará; en caso contrario decrecerá. 7. Características de las disoluciones en solubilidad Para nuestro estudio el disolvente será líquido (agua) y el soluto será sólido (una sal ternaria o binaria). El soluto será disuelto en el disolvente obteniéndose tres tipos de disoluciones.
7.1 Disolución total Se produce cuando, a simple vista, se ve una sola fase (líquida). Esto quiere decir que el disolvente fue capaz de disolver completamente al soluto. El soluto es muy soluble en dicho disolvente.
7.2 Disolución parcial A simple vista, se ve un residuo en el fondo del recipiente que lo contiene. Esto significa que hay dos fases (líquida y sólida). En consecuencia, el disolvente no disuelve todo el soluto, sólo una parte de él. El soluto es parcialmente soluble en dicho disolvente.
7.3 Disolución no total En este caso vemos, que el disolvente no ha disuelto al soluto. Se dice que el soluto no es soluble para ese disolvente o insoluble.
7.4 Reglas de solubilidad 1. Todas las sales de , y son solubles. 2. Todos los , , , , , y son solubl es (el es poco soluble). 3. Todos los Cl, Br, y SCN son solubles, es, excepto los de , , ( es soluble en agua caliente). 4. Todos los sulfatos fatos ( ) son solubl ubles es excepto excepto los de , y (los (los de , y son un poco solubles). 5. Todos los , y son insolubles excepto los de , , , , y . 6. Todos los , , , , , , y son insolubles excepto los de , y . 7. Todo Todoss los los son son inso insolu lubl bles es excep excepto to los los de , , y ( es un poco poco soluble). 8. Propiedades coligativas El análisis químico de un líquido puro y de una disolución cuyo disolvente es ese líquido, revela que la presencia de un soluto no volátil provoca cambios en el comportamiento del líquido. Tales cambios reciben el nombre de propiedades coligativas. Los cambios de comportamiento del disolvente provocados por la presencia de un soluto no volátil se deben únicamente al número de partículas dispersas y no dependen de la naturaleza del soluto. 8.1 Presión de vapor (tonoscopía) (tonoscopía) Es la propiedad coligativa que corresponde a la disminución de la presión de vapor de un líquido provocada por la presencia de un soluto no volátil. Un ejemplo práctico que permite comprender el concepto de presión de vapor se puede realizar colocando un poco de cloroformo dentro de un vaso de precipitado y cubriendo el vaso con una campana de vidrio. Se puede observar que al cabo de un tiempo el nivel de cloroformo en el vaso baja y se estabiliza en un cierto punto. El nivel de cloroformo disminuye porque, inicialmente, algunas moléculas tienen energía suficiente para pasar al estado de vapor. El vapor en el interior de la campana pasa a ejercer vapor. Algunas moléculas constituyentes del una presión, que es denominada presión de vapor. vapor chocan con la superficie del líquido, retornando a éste ya que se condensan. En el inicio, la velocidad de evaporación es mayor que la velocidad de condensación por lo cual el nivel de cloroformo en el vaso va bajando. A medida que la cantidad de vapor aumenta, la velocidad de evaporación va disminuyendo y la de condensación aumentando, hasta que se igualan. Cuando esto ocurre, se dice que fue alcanzado el equilibrio entre el líquido y el vapor (equilibrio dinámico).
Una vez alcanzado este equilibrio, el nivel del cloroformo se estabiliza y a partir de este instante, el interior de la campana se encuentra saturado de vapor, que ahora ejerce la máxima presión de vapor posible. posible. Dicha presión se ve incrementada por un aumento de la temperatura del sistema y depende de la naturaleza volátil del líquido, es decir, a mayor volatilidad mayor será la presión de vapor. En el estudio de la presión de vapor o tonoscopía son muy importantes los trabajos de François Raoult (1830-1901). Este científico estudió la relación entre la presión de vapor del líquido en la disolución y la concentración de ésta, llegando a establecer la ley de Raoult , que dice que “La presión de vapor de un líquido como disolvente en una disolución es igual al producto de la presión ón de vapor de ese líquido puro puro ( ) dividido do por los moles moles del líquido en disolución”. La variación de la presión de vapor de una disolución se puede calcular según la relación:
Ejercicio La presión presión máxima máxima de vapor del agua pur pura, a, a 20 °C, es de 17,54 54 mm Hg ( ). Si se disuelven 36 g de glucosa (MM glucosa = 180 g/mol) en 500 g de agua (MM agua = 18 g/mol). ¿Cuál será el descenso absoluto de la presión de vapor de la disolución? (constante tonoscópica agua (Kt) = 0,018)
8.2 Punto de ebullición (ebulloscopía) Es la propiedad coligativa que corresponde a la elevación del punto de ebullición de un líquido provocada por la presencia de un soluto no volátil. Un líquido entra en ebullición (hierve) cuando ocurre la formación de un gran número de burbujas de vapor que suben a la superficie. Esto sucede cuando la presión de vapor del líquido (P) es mayor que la presión atmosférica (P atm). A nivel del mar, la presión atmosférica es de 760 mm Hg (1 atm), por lo cual el agua hierve a 100 °C. A presiones menores, el agua entra en ebullición a temperaturas mas bajas. El fenómeno opuesto sucede cuando la presión aumenta por sobre la atmosférica, en el cual el agua hierve a temperaturas mayores a 100 °C. Esta propiedad es aprovechada en las ollas a presión, ya que en su interior existe una presión mayor que la atmosférica, por lo tanto, el agua va a hervir a mayor temperatura haciendo que los alimentos se cocinen más rápidamente. Este hecho puede ser aplicado para otras sustancias, ya que cuanto más volátil sea el líquido, mayor será su presión de vapor y, por lo tanto, menor será su punto de ebullición.
Si se aumenta un soluto al líquido, la presión de vapor disminuye, aumentando, en consecuencia, la temperatura de ebullición del líquido. La ebulloscopía también fue estudiada por Raoult (1830-1901). Sus investigaciones se centraron en la relación que existía entre el efecto ebulloscópico y la concentración de la disolución, llegando a concluir que “La elevación del punto de ebullición de un líquido, provocada por la presencia de un soluto no volátil, es directamente proporcional a la molalidad de la disolución”.
Ejercicio Diez gramos de una sustancia, de masa molar 266 g/mol, fueron disueltos en 500 g de tetracloruro de carbono. ¿Cuál es la temperatura de ebullición de la disolución, bajo presión normal? (Datos relativos al tetracloruro de carbono: Constante ebulloscópica del tetracloruro de carbono (Ke) = 5,32; Temperatura de ebullición del tetracloruro = 77° C bajo presión normal).
8.3 Punto de congelación (crioscopía) La crioscopia es una propiedad coligativa que indica el descenso del punto de congelación de un líquido, provocado por la presencia de un soluto no volátil. La adición de un soluto disminuye la presión de vapor del líquido, en consecuencia, la temperatura de ebullición del líquido aumenta y la de congelación disminuye. Esta propiedad se aplica a los líquidos anticongelantes, utilizados comúnmente en los radiadores de los automóviles en climas muy fríos, la sustancia anticongelante que se utiliza es el etilenglicol que hace descender la temperatura de congelación del agua del radiador hasta aproximadamente madamente -35°C. Raoult (1830-1901) también estudió la relación entre el efecto crioscópico y la concentración de la disolución, enunciando otra ley. “El descenso de la temperatura de congelación de un líquido, provocada por la presencia de un soluto no volátil, es directamente proporcional a la molalidad de la disolución”.
Ejercicio ¿Cuál es la temperatura de congelación de una disolución conteniendo 8,9 g de antraceno ( ) en 256 g de de benceno benceno? ? (temperatur (temperatura a congela congelació ción n del bence benceno no puro puro = 5,42 5,42 °C, Kc Kc benceno = 5,12, masa molar antraceno = 178 g/mol).
Punto triple del agua Es un punto específico en que el agua puede existir simultáneamente bajo la forma de condiciones de este triple estado se establecen bajo hielo, líquido y vapor de agua. Las condiciones una presión de 4,579 mm Hg y de 0,0098 °C.
8.4 Presión osmótica (osmometría) La presión osmótica es la presión que se debe ejercer sobre la disolución para impedir su dilución, cuando pasa un disolvente puro, a través de una membrana semipermeable. semipermeable . Esta propiedad fue estudiada por el químico holandes Jacobus Van´t Hoff (1852-1911) quien llegó a la conclusión de que la ecuación de la presión osmótica es igual a la ecuación de los gases perfectos. PV = nRT
en que P es la presión osmótica de la disolución, V el volumen de la disolución, n la cantidad de moles de soluto, R la constante general de los gases y T la temperatura absoluta de la disolución. El efecto de la presión osmótica es utilizado en numerosas aplicaciones entre las cuales se pueden destacar la desalinización del agua de mar. Este proceso consiste en la remoción de la sal mediante la osmosis inversa, es decir, el agua hace el camino inverso al natural, por aplicación de una presión superior a la osmótica. Una de las dificultades de este proceso es la
obtención de membranas semipermeables que resistan las altas presiones. Este tratamiento del agua de mar se realiza en regiones donde las fuentes de agua dulce son escasas, como en medio oriente. Otra aplicación de la presión osmótica se da en la industria alimentaría, en la cual, la osmosis es empleada para producir charqui o carne salada, este producto se obtiene agregando sal gruesa sobre la carne fresca, puesto que la sal común tiene un gran efecto higroscópico, es decir, atrae el agua. Esta propiedad de la sal común (NaCl) permite la deshidratación de la carne por lo que se conserva durante mucho tiempo en buen estado, ya que al tener un bajo porcentaje de agua, no permite el desarrollo de microorganismos. Como la presión osmótica depende de la concentración de la disolución, cuando dos disoluciones presentan la misma presión osmótica, se denominan isotónicas. Ejercicio Determine la presión osmótica, a 27 °C de 2 litros de una disolución acuosa que contiene 12 g de urea (masa molar urea = 60 g/mol) Datos: R = 0,082 atm L/K mol
CAPÍTULO 5: QUÍMICA AMBIENTAL
En un ecosistema la materia es utilizada una y otra vez en forma cíclica (Ciclos de nutrientes). En cambio, la energía es empleada una vez. Ésta se pierde a lo largo de las etapas señaladas anteriormente en forma de calor o trabajo y, por lo tanto, no puede volver a ser utilizada, necesitándose, en consecuencia, un nuevo aporte de ella. Aprendizajes esperados • Conocer los diversos ciclos de nutrientes. • Reconocercont aminantesf ísicosyquí micos y sus implicancias. • Valorar el cuidado por el Medio Ambiente. 1. Flujo de materia y energía en el ecosistema En un ecosistema se pueden distinguir cinco etapas fundamentales dentro del flujo de materia y energía que en él se desarrolla: • Incorporación de energía y compuestos inorgánicos. • Creación de materia orgánica a partir de la materia mineral y de la energía (plant as verdes). • Consumo de esta mate ria orgánica por aquellos seres vivos incapaces de producirla (herbívoros y carnívoros). • Desintegración de la materia orgánica hasta llevarla nuevamente al estado de compuestos inorgánicos. • Transf ormación de estos component es inorgánicos en otros compuestos minerales que puedan ser aprovechados por los productores de materia orgánica.
En un ecosistema la materia es utilizada una y otra vez en forma cíclica (ciclos de nutrientes). En cambio, la energía es empleada una vez. Ésta se pierde a lo largo de las etapas señaladas anteriormente en forma de calor o trabajo y, por lo tanto, no puede volver a ser utilizada, necesitándose, en consecuencia, un nuevo aporte de ella. La energía que proviene del sol es captada por los organismos fotosintéticos y, a partir de ellos, pasa a los restantes organismos que componen una cadena alimenticia, formándose una especie de corriente que recibe el nombre de flujo de energía.
1.1 Ciclos de los nutrientes La energía que los seres vivos incorporan a sus organismos a través de la nutrición debe ser liberada en parte, con el fin de ser utilizada por ellos. El desprendimiento de la energía, ocurre en el interior de la células del organismo, en presencia del oxígeno. Este proceso, común a todo ser viviente, se denomina combustión u oxidación de los alimentos. A través de las cadenas alimenticias no sólo circula la energía sino también, la materia. Esta materia describe ciclos en su recorrido, es decir, unos circuitos que afectan tanto a los seres vivos como a los componentes no vivos de la biosfera. Por esta razón, se denominan Ciclos de Nutrientes.
1.1.1 Ciclo del agua El agua es indispensable para los seres vivos. Si bien el componente hídrico de los organismos es variable, está siempre dentro de unos porcentajes elevados. Si, por falta de suministro, la cantidad de agua de una célula disminuye por debajo del nivel medio, aumenta el peligro de muerte por deshidratación. Por ello, el ciclo del agua es uno de los más importantes y es el único que se produce exclusivamente a nivel de compuestos.
Las vías de intercambio de agua entre la atmósfera y la superficie de la Tierra son las precipitaciones y la evaporación. Las precipitaciones son en forma de lluvia o de nieve, lo que depende de la temperatura ambiental. El agua caída sobre la superficie terrestre se reúne en corrientes de mayor o menor cauce que circulan hacia las grandes concentraciones acuosas, como lo son los mares, lagos y océanos. Durante este recorrido cierta cantidad de agua se evapora hacia la atmósfera y otra cantidad es tomada por los organismos vivos (animales y vegetales), los que la incorporan a su estructura orgánica. En los vegetales el agua es un producto indispensable para la síntesis de hidratos de carbono. Además, todos los organismos precisan cierta cantidad de agua para llevar a cabo procesos químicos vitales, por lo tanto, el agua es indispensable en los seres vivos no sólo a nivel estructural sino también para hacer posibles las reacciones de síntesis de nueva materia viva. Las vías de salida del agua del ciclo, tanto en los vegetales como en los animales, son la transpiración y respiración en las plantas, en tanto los animales eliminan agua mediante la excreción, transpiración y la respiración.
1.1.2 Ciclo del carbono
El mundo orgánico también ha sido llamado el mundo del carbono, ya que este elemento es uno de los componentes fundamentales de la materia viva. Se puede considerar que los vegetales verdes desencadenan el ciclo del carbono, ya que son el enlace entre el mundo orgánico co y el inorgánico. inorgánico.Ellos transforman el carbono carbono del del anhídrido carbónic carbónico o( ) en hidratos hidratos de carbo carbono no ( ), compues compuestos tos que forman forman parte parte del organi organismo smo human humano o y le propor proporcio cionan nan energía. Los consumidores de primer orden (Herbívoros) incorporan a su organismo el carbono fijado en las plantas. Para ello, realizan el proceso de la digestión del alimento. Como producto de desecho desecho queda anhídrido anhídrido carbónico carbónico ( ), que que es expulsado sado a la atmósfera durante durante el proceso de la respiración. Además, cuando las plantas verdes respiran también expulsan anhídrido de carbono como producto de desecho. Al morir los seres vivos sus organismos son atacados químicamente por los descomponedores (hongos y bacterias) y de esta forma restituyen el carbono al suelo en productos tales como carbón, madera, gas natural y petróleo.
1.1.3 Ciclo del nitrógeno El Nitrógeno trógeno presente presente en la atmósfera se encuentra encuentra en estado gaseoso ( ). Sin embargo, en dicho estado, la gran mayoría de los seres vivos no pueden utilizarlo. Por lo tanto, es necesaria una transformación. Los consumidores de primer orden (herbívoros) y segundo orden (carnívoros) obtienen este producto del alimento que ingieren, ya que los compuestos nitrogenados están presentes en las verduras, carnes y granos. Los nitratos son la fuente más común de nitrógeno. Los vegetales los utilizan como nutriente mineral que toman del suelo, para transformarlos posteriormente en otros compuestos nitrogenados, tales como proteínas y aminoácidos. La fijación del nitrógeno atmosféri atmosférico co ( ) a nitrato trato ( ) se real realiza iza graci gracias as a un un grupo grupo de microo microorga rganis nismos mos denominados fijadores de nitrógeno, formado principalmente por bacterias y algas. Rhizobium, las cuales habitan en nódulos en las raíces de Estas bacterias son del género Rhizobium, las plantas leguminosas (fréjol, alfalfa, maní, trébol, etc.). Al interior del nódulo estas bacterias realizan la transformación bioquímica del nitrógeno gaseoso y lo transforman en sales de nitrato ( ), compuesto compuesto que puede puede ser ser fácilmente lmente absorbido absorbido por los os vegetales. vegetales. Por esto las leguminosas pueden ser plantadas en suelos marginales (empobrecidos de nutrientes) con el propósito de aumentar la fertilidad de ese suelo. El nitrógeno es nuevamente incorporado al ambiente mediante los desechos orgánicos (fecas y orina) y por descomposición de plantas y animales, en el cual, gracias a los descomponedores descomponedores,, son liberados berados aminoáci aminoácidos, dos, amoniaco amoniaco ( ) y ácido úrico para para ser nuevamente incorporados al ciclo.
1.1.4 Ciclo del fósforo Los fosfatos ( ) del suelo se disuelven disuelven y se incorporan ncorporan a las as plantas antas a través de las las raíces. Luego, las plantas son consumidas por los animales, donde desempeñan un importante papel en la formación del esqueleto, junto con el calcio. Al morir los animales, sus esqueletos enriquecidos con los fosfatos, se incorporan de nuevo al suelo, formando así depósitos de este elemento. Estos restos de animales llegan también como sedimentos al fondo del mar, desde donde el fósforo pasa a los peces y luego a las aves marinas, las cuales depositan sus excrementos, ricos en fósforo, en zonas costeras, formando así depósitos llamados “ guano de covadera ”. ”. En las costas del Pacífico (Chile y Perú) se encuentran los mayores depósitos de guano del mundo, el cual es usado universalmente como abono puesto que aumenta la fertilidad del suelo. El fósforo es fijado naturalmente por un hongo llamado micorriza, el que se encuentra en la zona de las raíces y es allí donde libera ibera el fósforo en forma de , compuesto que es fácilmente asimilado por los vegetales. En resumen, el hecho de conocer los ciclos de nutrientes nos permite manejar mejor los recursos naturales para así favorecer el cuidado del ambiente y a su vez lograr una sustentabilidad del medio en que vivimos, tratando de evitar la utilización excesiva del suelo, ríos y recursos naturales, que podrían llevar a la desertificación y a la contaminación ambiental.
2. Contaminación ambiental El hombre está inserto en un medio, del que depende directamente. Si el medio ambiente es tratado con respeto estará asegurándose la vida; si no es así, las consecuencias son fácilmente predecibles. Por la vertiginosidad, el progreso actual y las modificaciones que ha hecho el hombre al medio, éste pasa por momentos críticos. Si se pudiese observar el planeta desde el exterior se apreciaría el aspecto tétrico de la polución. ¿Qué está ocurriendo? ¿Cómo enfrentar el problema de la contaminación? ón? En est e capít ulo se analizarán algunos conceptos relacionados con la contaminación. El medio ambiente está constituido, básicamente, por tres sustancias: el aire, el agua y el suelo, los cuales contienen una composición química determinada. Cada vez que se le agregan sustancias extrañas o se está variando esta composición normal, se presenta un problema de la contaminación. 2.1 Aire El aire es una mezcla de gases considerada de suma importancia para los seres vivos. Para confirmar esto, basta saber que en forma aproximada, el hombre consume diariamente 15 kg de aire contra 2,5 L de agua y 1,5 kg de alimentos.
2.1.1 Componentes del aire Normalmente mente el aire está compuesto compuesto como muestra la tabla:
El aire se contamina si varía esta composición normal o presenta partículas extrañas disueltas en él.
2.1.2 Contaminantes del aire El Consejo de Europa define esta contaminación:… “Hay polución del aire cuando la presencia de una sustancia extraña o la variación importante en la proporción de sus constituyentes, es susceptible de provocar efectos perjudiciales o de crear molestias, teniendo en cuenta el estado de los c onocimientos científicos cos del momento”…
La organización mundial para la salud (OMS) indica cuáles son los niveles de contaminación del aire. Entre las fuentes naturales de contaminación del aire están el polvo, el polen, actividad volcánica, incendios forestales, polvo cósmico, etc. Dentro de las fuentes artificiales de contaminación se incluye la provocada por el hombre y su accionar, tales como los productos químicos esparcidos por automóviles, fábricas, vertederos de basura, etc. Dentro de los contaminantes art ificiales ificiales destacan los anhídridos de azufre, anhídridos u óxidos ácidos de carbono y los óxidos ácidos de nitrógeno. • Anhídridos de Azufre: El Anhídrido sulfuroso y sulfúrico: En los combustibles fósiles hay trazas de azufre; este elemento al combustionarse forma el y éste, al combinarse con agua produce (ácido sulfúrico) el cual es altamente peligroso pues genera la corrosión de metales y causa la lluvia ácida. Para solucionar estos problemas, se propone tratar los anhídridos sulfúricos y sulfurosos con sales de calcio que precipitan formando sulfitos (-atos) de calcio donde su peligrosidad se ve reducida.
• Óxidos Óxidos ácidos ácidos de de carbono: carbono: El anhídrid anhídrido o carbónico carbónico ( ) se produce cuando se combustionan completamente los combustibles orgánicos (petróleo, carbón, madera), y mediante la respiración animal y vegetal. Es un gas más pesado que el aire y su peligrosidad es relativa, ya que es usado como materia prima para la fotosíntesis por los vegetales, reduciéndose así en forma natural. (En grandes cantidades y en lugares cerrados es tóxico).
• El monóxido de carbono (CO) es un gas incoloro, inodoro e insípido producido en las combustiones incompletas o eliminado por la acción de volcanes. Este gas es altamente peligroso, pues forma con la hemoglobina de la sangre la carboxihemoglobina, compuesto químico muy estable; de ahí su peligrosidad (hipoxia celular). Para disminuir la producción de CO por parte de los automóviles se propone usar aire enriquecido en oxígeno (mayor contenido de para la combustión interna del automóvil y así sólo queda transformado en ) • Anhídridos Anhídridos de Nitrógeno: Los anhídridos de nitrógeno, dentro de los cuales se cuentan anhídridos nitroso y nítrico, se producen al combustionar el aire o por efectos naturales como las tormentas eléctricas. Estos gases, al actuar con el agua, pueden formar ácidos nitroso y nítrico que formarán parte a su vez de la acidez del aire y de las llamadas lluvias “ácidas”. • Clorofluorocarbonos Clorofluorocarbonos (CFC): Los CFC son compuestos volátiles que se utilizaron masivamente como refrigerantes y propelentes de aerosoles, aparenteme nte no constituían peligro ambiental, pero exhaustivos estudios demostraron que su ozono , con concentración a nivel de la estratosfera genera degradación de la capa de ozono, el consiguiente adelgazamiento de dicha capa. Vale recordar que el ozono es fundamental en la protección de la vida en el planeta, ya que filtra la mayor parte de los peligrosos rayos ultravioleta (UV) que llegan a la tierra, evitando con ello mutaciones y alteraciones en el material genético de los seres vivos.
2.1.3 Contaminación del aire Cuando el aire sufre un cambio en su composición, provoca efectos desfavorables para la salud humana y el medio ambiente. Los agentes contaminantes culpables de estas consecuencias, pueden ser de origen natural, que es producida por fenómenos naturales como erupciones volcánicas, incendios forestales, vientos. Y de origen artificial, producida por procesos industriales, plantas termoeléctricas, vehículos y en hogares. Los distintos tipos de contaminación son: a. Smog
Proviene de la palabra inglesa smog (smoke: humo y fog: niebla). Es un tipo de contaminación que se da en algunas ciudades, por ciertos contaminantes junto con determinadas circunstancias climatológicas. • Industrial o gris: gris: producido en ciudades frías y húmedas en las cuales se quemaban grandes cantidades de carbón y petróleo pesado con mucho azufre, en instalaciones industriales y de calefacción. Por tanto, el principal gas contaminante es el dióxido de azufre. • Fotoquímico Fotoquímico o pardo: producido en ciudades cálidas y secas en las cuales producto de la radiación solar se producen reacciones entre los principales gases, tales como el óxido de nitrógeno (NOx) e hidrocarburos volátiles (COV`s).
b. Lluvia ácida Contaminación asociada al uso de combustibles fósiles por la emisión principalmente de dióxido de azufre. También se asocia a las centrales térmicas generadoras de energía eléctrica, motores a combustión interna que producen óxidos de nitrógeno y en menor medida de óxidos de carbono. Estos contaminantes interactúan con la precipitación, como se muestra en las siguientes reacciones:
La mayor mayor conce concentrac ntración ión la presenta presenta el ácid ácido o sulfúri sulfúrico co ( n it ró ró ge ge no no ( ) y f in al alm en en te te el el ác ác id o c ar ar bó bó ni nic o ( ).
), luego uego los os ácidos dos de
Esta contaminación produce principalmente acidificación de los suelos y de las aguas, afectando los cultivos, las construcciones y en general el equilibrio de la naturaleza.
c. Adelgazamiento Adelgazamiento de la capa de ozono
La capa de ozono es la encargada de absorber la radiación ultravioleta, a través, de la constante destrucción y formación de las moléculas de ozono que ocurre de forma natural y dinámica en la estratósfera. Por tant o, esta contaminación se encarga de degradar la capa de ozono, debido a la acumulación de cloro en la estratósfera, produciendo así una mayor destrucción que formación de la capa. Por otro lado, el cloro que proviene de la descomposición de clorofluorocarbonos (CFC), conocidos industrialmente como freones, ocurre gracias a la acción de la luz solar sobre ellos. Estos CFC`s se utilizaron ampliament e en aire acondicionado, aerosoles, espuma de embalaje, etc. El mecanismo de la reacción es el siguiente:
El cloro activo es capaz de destruir más de 100.000 moléculas de Ozono. d. Efecto invernadero
La energía que proviene del sol es la encargada de regular el clima del planeta. Esta energía también se encarga de aumentar la temperatura de la tierra, lo que permite que exista vida en el planeta. Cuando la radiación llega desde el sol, solo una parte es absorbida y la otra es reflejada de vuelta al espacio exterior. Los gases encargados de atrapar parte de esta energía son el vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno, CFC`s, etc. La contaminación se produce cuando estos gases de invernadero aumentan su concentración, ón, principalmente palmente el dióxido do de carbono carbono ( ), atrapando atrapando más de la energía energía necesaria, transformándose en un calentamiento global. La consecuencia es el aumento de la temperatura global del planeta, que trae consigo el deshielo de los glaciares pudiendo producir un aumento de las aguas oceánicas e inundaciones en ciudades costeras. También importantes cambios climáticos con graves implicaciones para la productividad agrícola.
3. Agua Tres cuartas partes del planeta están ocupadas por agua ya sea en estado sólido, líquido o gaseoso, ya que es la única sustancia química que tiene esa propiedad. Normalmente el agua tiene un flujo circular en nuestro planeta. Con el crecimiento de la población y el surgimiento de la actividad industrial, la contaminación de ríos, lagos, aguas subterráneas y mares aumenta constantemente. La OMS define la contaminación de las aguas dulces como… “Debe considerarse el agua contaminada cuando su composición o su estado están alterados de tal modo que no reúne las condiciones de uno u otro o al conjunto de utilizaciones a los que se hubiera destinado en estado natural”…
3.1 Estructura molecular molecular del agua El siguiente cuadro presenta la estructura del agua:
3.2 Propiedades del agua El agua, un líquido a temperatura ambiente, posee propiedades muy particulares que la hacen muy distinta a otros compuestos.
3.2.1 Densidad Tiene la particularidad que en forma sólida tiene menor densidad que en forma líquida, es por eso que el hielo flota sobre el agua. Esto se debe al ordenamiento que sucede en estado sólido, ocupando mucho más volumen, es decir, en vez de contraerse se expande al solidificarse. Por otro lado, la máxima densidad del agua se produce a una temperatura cercana a 3,98 3,98 ºC y 1 atmósfera de presión, ón, y su valor or es de 1 g/ .
3.2.2 Tensión superficial Se define como la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área, por tanto, el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Sin embargo, está más relacionado con las fuerzas intermoleculares que se establecen en la superficie de cualquier líquido, en el caso del agua estas fuerzas son muy mayores que en otros casos, debido a las fuerzas de atracción producto de los puentes de hidrógeno que se establecen. Esto explica el hecho de que los insectos puedan flotar sobre el agua, como también la forma esférica de las gotas. La tensión superficial también actúa cuando los líquidos entran en contacto con las superficies sólidas, y esto da lugar a la Capilaridad, que es la capacidad de un líquido de poder ascender por las paredes de un tubo minúsculo.
3.2.3 Calor específico Esta propiedad es la capacidad que tiene el agua de poder absorber grandes cantidades de calor, sin que varíe mayormente sus propiedades. El gran valor de su calor especifico, de 1 cal/g ºC, hace a este líquido muy atractivo para enfriar procesos industriales, debido a su gran disponibilidad en las zonas costeras.
3.3 Tipos de contaminación 3.3.1 3.3.1 Aguas duras En forma natural el agua se puede contaminar debido a su gran poder disolvente. Las aguas duras poseen altas concentraciones de calcio y de magnesio. Estas aguas al ser utilizadas reaccionan con el jabón o los detergentes, formando coágulos insolubles y escamas, en vez de producir la espuma esperada, y las tuberías van siendo obstruidas por las escamas que deja el paso de éstas.
3.3.2 Eutrofización Es la forma artificial de contaminación del agua. Producida principalmente por un exceso de nutrientes provenientes de actividades industriales, domésticas y agrícola, por el uso de fertilizantes izantes y detergentes. detergentes. Estos compu compuestos estos aumenta aumenta la conce concentrac ntración ión de fosfato fosfato ( )y nitrato ( ) provocando provocando un aumento excesivo excesivo de microalgas microalgas en la superficie superficie de ríos y lagos. lagos. Este fenómeno con el tiempo hace disminuir drásticamente el nivel de oxígeno disuelto en el agua producto de la respiración de las microalgas, lo que provoca la muerte de la fauna acuática.
Otros tipos de contaminación artificial de agua son: a. Los desechos orgánicos no tratados contienen una gran cantidad de microorganismos, tales como virus, bacterias, hongos, etc., que provocan enfermedades infectocontagiosas, como fiebre tifoidea, cólera, hepatitis, etc. b. Los organismos en descomposición , principalmente cadáveres de animales o
vegetales, al llegar a las aguas son atacados por bacterias que utilizan oxígeno para descomponerlos. Ello lleva al agotamiento del oxígeno disuelto, limitando la vida acuática. Alternativamente ocurren procesos anaeróbicos que producen desechos como el ácido sulfúrico. c. Metales pesados tales como el mercurio, el cadmio, el plomo y el níquel usados en la industria química de plásticos (zincados, pinturas y aceites, respectivamente) pasan a formar parte de la cadena alimenticia de peces y de allí al hombre, al que provocarán daños cerebrales, renales, cáncer pulmonar e incluso la muerte. d. Pesticidas usados en la agricultura para atacar plagas de insectos son arrastrados por las lluvias y así entran en las cadenas alimenticias, dañando obviamente la salud del hombre; mención especial tiene el DDT (dicloro difenil tricloroetano) cuyo uso ha sido prohibido porque se incorpora al protoplasma, donde no es simplificado. En un tiempo se creyó que el DDT era un pesticida ideal ya que las plagas disminuían considerablemente. Sin embargo, las consecuencias posteriores eran bastante dañinas pues el DDT pasaba a las frutas, hortalizas, agua, y de allí a la cadena alimenticia donde se encuentra el hombre. 3.4 Potabilización del agua La potabilización del agua se realiza en plantas de tratamiento, en las cuales se recibe el agua desde el curso de los ríos. Ésta se somete a un proceso de filtración y tratamiento y, luego se distribuye a los hogares. En el proceso de Potabilización se distinguen las siguientes etapas:
a. Tamizado Consiste en impedir el paso tanto de objetos sólidos como de seres vivos (peces, moluscos, etc.), poniendo una gran malla metálica en la toma de agua.
b. Trata miento miento previo con cloro Se agrega cloro al agua. Este desinfectante mata a los microorganismos que pueden producir enfermedades tales como la fiebre tifoidea, hepatitis y el cólera.
c. Coa gulación o floculación Se agregan al agua ciertos productos químicos que logran retirar la suciedad y otras partículas partículas sólidas idas en suspens suspensión ión.. Estos Estos prod productos uctos son el sulfa sulfato to de alum alumini inio ( ) y el el hidróx hidróxido ido de calc calcio io ( que al ser ser vertid vertidos os en en el agua, agua, reac reaccio cionan nan entre sí y forma forman n hidróx hidróxido ido de de alumin aluminio io ( , que que es una una sustanci sustancia pegajo pegajosa sa simil milar ar a la gelatina atina y que que atrapa las partículas suspendidas en el agua. d. Precipitación Es el proceso en el cual las partículas y suciedad atrapadas en la coagulación caen al fondo de los estanques por acción de la gravedad.
e. Filtración Aquí se ret ira gran parte de las impurezas impurezas que se mantienen todavía en el agua después de la coagulación y de la sedimentación por medio de un filtro de arena y piedras.
f. Tratamiento final con cloro y flúor Se le agrega cloro por última vez, ajustando la concentración para proteger el agua de la contaminación por bacterias. El agua obtenida así es apta para consumo humano, ya que contiene cantidades
adecuadas de sales, cloro y flúor (en algunas ciudades, para la protección dental). El agua potable es por definición un agua libre de microorganismos indeseables. indeseables . Todas estas características hacen del agua potable un líquido inodoro, insípido e incoloro .
4. Suelo El suelo es un recurso natural que se ha formado a través de miles de años, conjuntamente con los procesos geomorfológicos, es decir, la evolución natural de la litosfera. 4.1 Componentes del suelo
a. Fracción mineral La parte mineral de todos los suelos procede de las rocas y se originan por las transformaciones físicas, químicas y biológicas de ellas. La desintegración progresiva de las rocas ocurre por la acción de agentes físicos de erosión como el agua, el viento y los cambios de temperatura.
b. Agentes físicos El agua, al correr entre las fisuras de las rocas, va disolviendo y transportando sus minerales más solubles. El viento desprende y levanta pequeños trozos de roca y las mueve hacia otros lugares. El calor irradiado por el sol durante el día , hace que las rocas se dilaten, mientras que en la noche, se enfrían y contraen. Con este cambio de temperatura, las rocas se agrietan y rompen en t rozos más pequeños.
c. Agentes químicos El agua, agua, el dióxido dióxido de carbono carbono ( ) y el oxígeno se infiltran en el terreno para producir producir reacciones químicas de hidratación, carbonatación y oxidación respectivamente, formando nuevos compuestos que hacen variar la composición química del suelo. d. Agentes biológicos Existe una gran cantidad de organismos microscópicos que ejercen su acción formadora de suelo. Por ejemplo, las raíces de plantas y árboles que rompen las rocas al crecer entre ellas, también están los musgos y líquenes que secret an sustancias que disuelven parte de las rocas y las fragmentan, para obtener así nutrientes para su crecimiento y desarrollo.
e. Fracción orgánica En el suelo, además de minerales, existen organismos y materia orgánica en descomposición tanto de hojas y ramas como heces y cadáveres de animales. Estos restos orgánicos se distribuyen en la superficie del suelo y se van descomponiendo lentamente hasta formar el humus, un residuo negro que se va mezclando con la fracción mineral para dar origen al suelo. En suma, el suelo está compuesto de materia orgánica y mineral. Por su naturaleza porosa deja que penetre el agua y aire en cantidades variables dependiendo de la naturaleza del suelo.
4.2 Estructura y t ipos de suelo suelo
a. Estructura del suelo suelo El suelo está formado por partí culas de diferente t amaño, producto producto de la fragmentación fragmentación de rocas. Así de acuerdo con el tamaño de las partículas en orden creciente se pueden clasificar de la siguiente manera.
Las partículas de suelo se distribuyen en cuatro grandes capas, a distintos niveles de profundidad, estas capas se denominan horizontes y se designan con letras mayúsculas (A, B, C y R), al conjunto de capas del suelo se le llama perfil. - Horizonte A: Es la primera capa del suelo y en ella se acumula materia orgánica, formándose el humus, si esta capa presenta abundant e materia orgánica se presentará de color negro y de consistencia húmeda. - Horizonte B: Es una capa fundamentalmente de origen mineral. - Horizonte C: Está formado por restos de rocas fragmentadas. - Horizonte R: R: Es la capa más profunda del suelo y está formada por la roca madre, que origina los demás horizontes.
b. Tipos de suelo Considerando los materiales que predominan en su composición, los suelos pueden ser rocosos, arenosos, arcillosos llosos y orgánicos. - Rocosos: No tienen horizonte A y B, por lo que la roca aparece en la superficie. Son duros e impermeables, por lo cual aparecen secos. - Arenosos: Debido a que sus partículas están muy sueltas, son suelos porosos y permeables que dejan pasar el agua con facilidad, pero no retienen la humedad. - Arcillosos: Tienen una textura blanda, son más compactos que los arenosos, son menos permeables y retienen más la humedad. - Orgánicos: Poseen materia orgánica en abundancia, son permeables y esponjosos, por lo que retienen una cantidad de humedad que los hace especialmente fértiles.
4.3 Degradación de suelos La degradación erosiva de los suelos es en la actualidad uno de los procesos más relevantes dentro de las actividades humanas involucradas con la agricultura, silvicultura y minería. Si bien la erosión es un proceso natural mediado por agentes ambientales como el viento y la lluvia, esta se ha visto favorecida en los dos últimos siglos por la acción antrópica. En el proceso de erosión, se extraen y transportan las capas superficiales del suelo (horizontes A y B principalmente), ocasionando la pérdida del arraigo físico para los vegetales y plantas generando en el corto plazo el fenómeno de desertificación, que puede incluso llevar a la pérdida completa de ecosistemas. 4.3.1 Erosión eólica Es la degradación efectuada por el viento sobre las partículas más finas y superficiales del suelo. Se ve favorecida por la ausencia de vegetación. La erosión eólica tiene dos efectos; la abrasión, que corresponde a la acción de desgaste ocasionado por las partículas extraídas sobre otros suelos y rocas. La deflación se produce cuando el viento levanta los fragmentos de suelo y los deposita en sectores lejanos a donde fueron extraídos.
4.3.2 Erosión marina Es el principal efecto erosivo y generador de dunas a nivel costero. Este tipo de degradación lo genera el mar sobre las rocas del litoral. La erosión que llevan a cabo las olas se debe en parte al choque del agua sobre las rocas y, también a la abrasión que ejercen los fragmentos que arrastra el agua y que proceden de la misma roca erosionada.
4.3.3 Erosión pluvial y fluvial La erosión pluvial es la que ejercen las gotas de las aguas lluvias cuando precipitan sobre el suelo. La masa y la velocidad de las gotas inciden en la magnitud de la erosión, facilitando el proceso la pendiente del sector donde ocurren la precipitaciones. La erosión fluvial es la que llevan a cabo los cursos de aguas continentales (ríos y torrentes). La energía cinética del agua determina la intensidad de la degradación y dependen de la energía potencial, así como, de la constitución del suelo sobre el cual fluyen los cursos de aguas.
4.3.4 Erosión glacial Este tipo de erosión se debe a la acción del hielo, constituyente de los glaciales, sobre las rocas de las superficies en la que se encuentran. La degradación es mucho mayor en el fondo de la masa de hielo que en los costados, lo que determina el conocido valle glaciar en “U”. Estructuras características que resultan de la erosión glaciar son los circos glaciares, los valles y los lagos de origen glaciar.
4.3.5 Erosión antrópica Es la erosión más impactante y rápida en desarrollar, es llevada a cabo, por acciones culturales humanas, y que se basan, principalmente en la agricultura y la minería con fines netamente económicos. cos. El impacto más inmediato es la destrucción de ecosistemas que afectan la flora y fauna primeramente, y luego al clima, el cual, se ve alterado a mediano plazo transformando la troposfera del planeta (efecto invernadero, lluvia ácida, etc.).
Está claro que la conciencia ecológica de la población se centra primeramente en la polución del aire y del agua y, en último caso en el suelo.
4.4 Conservación de suelos El suelo es una entidad organo-mineral de lento desarrollo (entre 150-500 años), no obstante, las distintas actividades humanas facilitan su degradación en un periodo muy corto de tiempo (6 meses a 2 años). Es por esta razón, que se han desarrollado diversos manejos de suelo para permitir su conservación.
4.4.1 4.4.1 Cultivos en terraz as Son terraplenes formados por bordes de tierra que construidos en sentido perpendicular a la pendiente del terreno forman escalinatas de cultivo. Las terrazas fueron propias de la cultura Incaica.
4.4.2 Franjeado Consiste en sembrar franjas de cultivos alternados (ejemplo trigo y poroto), variando así la velocidad de infiltración del agua, con lo que se evita su pérdida por escurrimientos, disminuyéndose la erosión del suelo. 4.4.3 Cultivo en contorno Es el establecimiento de cultivos siguiendo las curvas de nivel principalmente en cerros y montes. Ayuda a evitar la formación de cárcavas en suelos con pendientes pronunciadas. 4.4.4 Rotación de cultivos Práctica cultural en la cual, el suelo permanece todo el año con una cubierta vegetal que evita la erosión. La rotación de cultivos implica efectuar una siembra inmediatamente después de otra. 4.4.5 Agrosilvicultura Similar al franjeado, consiste en alternar cultivos con franjas de árboles para reducir la erosión tanto hídrica como eólica, con lo que se estabiliza física y químicamente el suelo. 4.4.6 Reforestación Es la medida más empleada en silvicultura para reemplazar las especies extraídas con fines económicos. La limitante que presenta, es que las especies plantadas no corresponden a las taladas (principalmente nativas), con lo cual, se altera el ecosistema reforestado.
La industria química permite el desarrollo y aplicación de tecnologías para que materias primas, naturales o artificiales, puedan ser usadas a favor de la población y su desarrollo. Los procesos productivos que involucran la transformación de materias primas para obtener productos intermedios o finos, son variados. CAPÍTULO 6: PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES Aprendizales esperados • Conocer los principales procesos químicos industriales. • Reconocer etapas en la industria química de transformación. • Comprender la necesidad de cambiar las fuentes de energía actualmente empleada en los procesos químicos por otras alternativas y menos polutivas. • Comprender el efecto contaminante v/s factor económico involucrado con los procesos químicos. Las industrias químicas fabrican una enorme gama de productos, desde los petroquímicos básicos tales como el etileno, propileno y sus polímeros, hasta productos farmacéuticos y químicos con valor agregado. La mayoría de los productos químicos son de uso industrial, siendo la misma industria química su principal consumidor. Los otros grandes consumidores son las industrias de transformación química que generan los productos químicos derivados para el uso cotidiano como jabones, detergentes, envases de plástico, cloro, fertilizantes, perfumes, fibras naturales y sintéticas para la fabricación de ropa, etc.
1. La industria química La industria química permite el desarrollo y aplicación de tecnologías para que materias primas naturales o artif iciales puedan ser usadas en favor de la población y su desarrollo. De este modo, los procesos productivos que involucran la transformación de materias primas para obtener productos intermedios o finos, son variados. La principal fuente de materiales es la naturaleza. Los materiales de origen animal, vegetal o mineral se tratan para su transformación. Estos materiales son la base para el proceso, y se conocen como materia prima. Aquellos productos que no provienen de una materia prima natural y que son preparados por el hombre se denominan materiales sintéticos. sintéticos . Es posible, de esta forma, diferenciar los productos químicos naturales como aquellos obtenidos directamente de un proceso de extracción y purificación de materia prima natural como el cobre, molibdeno, oro, plata, petróleo, de aquellos productos químicos artificiales, como son los derivados del petróleo (gasolina, plásticos, perfumes, etc.)
2. Procesos industriales químicos involucrados en el desarrollo económico 2.1 Fabricación de vidrio El vidrio es un sólido amorfo, carente de ordenaciones moleculares definidas tal como en un líquido. Por esta razón, se le considera un líquido sobrenfriado. Entonces, cuando se rompe, lo hace en distintas direcciones sin forma definida alguna. El vidrio corriente empleado en la fabricación de botellas, vasos, ventanas corresponde a un mezcla de óxido de calcio, carbonato de sodio y principalmente óxido de silicio (arena), que es calentada a temperaturas que superan los 680° C. El proceso de producción es continuo, es decir, por un extremo del caldero se introducen las materias primas y por otro lado sale el vidrio fundido. Este producto es traspasado a otros calderos que mantienen una determinada temperatura de trabajo (según el tipo de vidrio a producir) bajo la cual se transfiere a máquinas de moldeo para producción en masa.
Del sílice procesado, se obtienen distintos tipos de vidrio. Así, según la conformación o función que éstos cumplan, se pueden clasificar en: • Tubo de vidrio: vidrio: corresponde al estirado del tubo de masa fundida, con inyección de aire comprimido intermitente para formar las paredes del tubo. • Vidrio plano: el proceso de producción se realiza por flotación, lo que permite obtener un vidrio más procesado y fino. Sus usos se encuentran en vidrios grabados, serigrafía, vidrios aislantes, térmicos y metalizados. • Fibra de vidrio: vidrio: la fabricación de fibras continuas se realiza por el método de estirado por hileras o trafilado. Las fibras son sometidas a tratamientos de recubrimientos orgánicos y tratamientos térmicos y son secadas en estufas para generar polímeros de estas fibras. La fibra de vidrio es liviana, resistente a la corrosión y a las altas temperaturas. • Vidrio hueco: incluye los productos fabricados en forma unitaria, es decir botellas, frascos, recipientes, bombillas para ampolletas, bulbos para televisores, vasos, artículos de iluminación, adornos, artículos de laboratorio, etc. • Fibra óptica: fibras de vidrio agrupadas en forma paralela que poseen un alto índice de refracción, separadas por capas delgadas de vidrio de bajo índice de refracción que hacen posible transmit ir imágenes a través de ellas. Empleadas en combinación con láseres, las fibras ópticas son hoy cruciales para la telefonía de larga distancia y la comunicación entre computadoras. computadoras.
Las desventajas de la fabricación del vidrio corresponden a los contaminantes que genera esta industria y que si bien son leves, contribuyen al incremento de efectos tales como la lluvia ácida, smog, efecto invernadero, contaminación del agua, residuos sólidos no biodegradables y contaminación acústica.
2.2 Fabricación del papel El papel es un material formado por hojas delgadas obtenidas por laminación de una masa pastosa (pulpa) compuesta por fibras vegetales de celulosa. El gran desarrollo del papel se debe a la relación utilidad/precio, que le otorga ventajas comparativas comparativas frente a otros materiales. materiales. La materia prima para la elaboración del papel es la madera que es la fuente primaria de las fibras de celulosa. En esta industria se ocupan distintos productos químicos para su procesamiento. Para fabricar una tonelada de papel se necesita cortar 17 árboles de a lo menos 8 años de edad, y en el proceso se producen 30 kilos de contaminantes atmosféricos. En Chile la madera más utilizada para la producción del papel es el pino insigne. La industria del papel consume grandes cantidades de madera y agua cada año, contribuyendo a la deforestación e incremento del efecto invernadero, además aporta contaminantes para la lluvia ácida (gases de azufre y nitrógeno) siendo también responsable de la contaminación de las aguas en los sectores cercanos al lugar de procesamiento, no obstante, en la actualidad se ocupa la tecnología para disminuir los índices de contaminación y se toman las medidas para reforestar y devolver en parte al medio los recursos extraídos. El proceso de fabricación de papel consiste en 6 etapas básicas: 1. Los troncos son llevados a la planta de tratamiento primario para retirarles la corteza. 2. Los troncos descortezados son triturados hasta generar pequeños fragmentos conocidos como “chips”. 3. Los fragmentos son llevados a un estanque para el proceso de cocinado y digestión, donde se adiciona hidróxido de sodio y se obtiene la pulpa de madera.
4. La pulpa es lavada y cernida. Luego, se elimina parte del agua que contiene. 5. La pulpa es conservada en grandes tanques, desde los cuales es transferida según las necesidades de producción a la etapa final del proceso que consiste en el batido de la pulpa hasta separar la fibras, cortarlas y peinarlas antes de someterlas a gran presión para formar la lámina del espesor deseado. En esta etapa, se emplea el ácido sulfúrico como blanqueador de las fibras. 6. La lámina convertida en hoja de papel es comprimida y secada en varias etapas hasta que el proceso termina en la formación de la bobina o gran rollo de papel.
2.2.1 Reciclaje del papel El aumento de la demanda de papel para la vida cotidiana ha multiplicado la posibilidad de utilizar papel de desecho y cartón como pasta de papel; con ello se consigue un gran ahorro de energía en el proceso de fabricación de la pasta primaria y la ventaja de no tener que utilizar madera de los bosques. Las técnicas de reciclaje han evolucionado con mucha rapidez desde la II Guerra Mundial, y los dos sistemas principales de recuperación se aplican sobre papel impreso, que incluye el lavado de la tinta, y sobre papel de envoltorio y cartón, de mayor rugosidad y porosidad y con ausencia de grabados.
2.3 Metalurgia del cobre
El cobre es un elemento relativamente escaso sólo un 0,0068 % de la masa de la corteza terrestre. El metal es de color café rojizo. Como sabemos, Chile es el principal país productor del mundo. En nuestro país, la producción de cobre proviene principalmente de las regiones segunda y sexta, las que en conjunto contribuyen con el 47% y 22% respectivamente de la producción nacional.
2.3.1 Propiedades y aleaciones del cobre El cobre tiene muchas propiedades que lo hacen atractivo y muy demandado por muchos países. Algunas de sus cualidades son: - Metal de color rojizo - Su densidad es de 8,92 g/ - Es dúctil y maleable - Es muy buen conductor de calor y electricidad - Antimicrobiano ano Algunas de sus aleaciones son: BRONCE: Cobre-Estaño LATÓN: Cobre-Cinc BRONCE ALUMINIO: Cobre- Aluminio PLATA ALEMANA: Cobre-Níquel-Cinc METAL MONEL: Cobre-Níquel- Manganeso-Hierro
2.3.2 Proceso de producción del cobre La metalurgia del cobre depende del tipo de mineral que se va a explotar, es decir, el cobre puede estar acompañado por oxígeno, siendo cobre oxidado, o por azufre, siendo cobre sulfurado. En general, la metalurgia del cobre se divide en 3 grandes etapas: Extracción, Concentración y Refinación. La extracción busca retirar el mineral de las minas, para luego disminuir su tamaño, gracias al chancado y la molienda. La concentración busca separar el mineral deseado de lo que se denomina ganga. Finalmente la refinación busca conseguir el metal con el mayor grado de pureza.
Las etapas de la producción son las siguientes:
2.4 Salitre Se obtiene a partir del Caliche, que es un mineral que contiene altas concentraciones de nitrato y yodo, que se encuentra en capas de dos a tres metros de espesor y dos metros bajo la superficie del desierto. Entonces el salitre, es un mineral no metálico, que está formado prin princi cipal p almente m ente por por nitr nitrato ato de de sodi sodio o( ), junto junto con con nitrato nitrato de potasi potasio o( ), ademá ademáss de iodat o de calcio ( . Esta mezcla de compuesto se utiliza en la fabricación de fertilizantes en la agricultura, industria farmacéutica y fabricación de explosivos. Como subproducto de la purificación del salitre, en la etapa de cristalización, se obtiene el sublimación. yodo como como yodato yodato de sodi sodio ( ), el el cual cual se lava, lava,prensa prensa y purifi purifica ca por por sublimación.
2.5 Carbonato de litio
Se obtiene directamente de las salmueras, ubicadas a unos 30 metros de profundidad, principalmente del Salar de Atacama. La extracción se realiza por bombeo, donde las salmueras se dejan a evaporar en medio del desierto, para así obtener disoluciones saturadas de carbonato de litio, además de sales de magnesio y boro. Los usos son variados, siendo principalmente utilizados en la industria del vidrio, en fabricación de cerámicas, en celdas de energía y aplicaciones médicas.
3. Conservación de los recursos energéticos de la tierra La industria química, en sus procesos de obtención de productos, emplea una gran
cantidad de energía cuya base principal son los combustibles fósiles y derivados del petróleo. Es imprescindible mejorar la tecnología y disminuir las emisiones contaminantes a la vez que se reemplazan dichas dichas fuentes de energía. La tendencia actual apunta a reemplazar la bencina o el petróleo por otros combustibles como el hidrógeno, el metanol y la energía solar. • Hidrógeno: el hidrógeno se obtiene del agua por hidrólisis mediante el uso de la electricidad. Debido a que es un gas, cuando se quema con el oxígeno, produce agua como desecho y una considerable cantidad de energía. Su principal problema radica en su almacenamiento dada su alta inflamabilidad con el aire. • Metanol: es un líquido incoloro que se obtiene como subproducto de la industria de la celulosa y se conoce como alcohol de quemar. Es tóxico, corrosivo y sólo posee la mitad de la energía que posee la gasolina. El uso de metanol disminuye las emisiones de monóxido de carbono y óxidos de azufre y nitrógeno, pero emite formaldehído el cual es cancerígeno; sin embargo, dicha emisión se anula al incorporar un convertidor catalítico especializado. • Energía solar: la energía solar se ve a largo plazo como la mejor solución para superar los problemas de contaminación ambiental y consumo de combustibles fósiles. Para producir electricidad existen dos sistemas, la luz solar se concentra en una estación colectora o placa solar para calentar un fluido, que se utiliza para producir vapor a fin de generar electricidad. El sistema más común de generar electricidad a partir de luz es el fotovoltaico, el cual se emplea en relojes y calculadoras solares así como en estaciones espaciales y satélites.
CAPÍTULO 7: QUÍMICA ORGÁNICA
El carbón es un mineral negro, de remoto origen vegetal, que procede de las materias vegetales descompuestas acumuladas desde épocas prehistóricas con condiciones climáticas que favorecieron un ciclo de crecimiento rápido – descomposición – crecimiento – nueva descomposición, que fue depositando materias vegetales en forma creciente... Aprendizajes esperados • Comprender la utilidad de los derivados del carbono. • Clasificar los compuestos derivados del petróleo. • Conocer los distintos tipos de compuestos orgánicos. • Nombrar compuestos orgánicos. (hidrocarburos y grupos funcionales) Los compuestos de carbono presentan uno de los aspectos más interesantes de la química. Una de las razones por la que interesa su estudio es por el rol que juegan en la química de los seres vivos, tanto vegetales como animales. Otra, es por su gran espectro de usos: fármacos, colorantes, drogas, detergentes, plásticos, perfumes, fibras, aromas, enzimas, vacunas, etc. La fabricación de estos compuestos ha creado una gigantesca industria química que consume anualmente millones de toneladas de materias primas, por lo que se hace necesario estudiar las principales fuentes de obtención del carbono y de sus compuestos. A pesar de ser un elemento tan importante para la vida en la Tierra, su abundancia no alcanza al 0.1%, en masa, en la corteza terrestre. Paradójicamente, es el segundo elemento en abundancia en el cuerpo humano, donde alcanza un 17.5% en masa. El carbono abunda en la naturaleza, libre y combinado, pues todas las sustancias animales y vegetales lo contienen. El carbono libre forma tres estados que son: diamante, grafito y carbono amorfo (en esta última clase destacan la hulla, la antracita, lignito y turba).
1. Fuentes naturales de obtención del carbono 1.1 Ca rbono elemental elemental Se presenta en dos tipos de cristales que se diferencian en cuanto a la forma y propiedades. • Grafito: cada átomo de carbono está unido a tres átomos vecinos, formando redes cristalinas plano-hexagonales, las que pueden desplazarse unas sobre otras, lo que explica el hecho de que el grafito sea blando. Además, propiedades tales como su elevado punto de fusión y el hecho de que es un buen conductor de la corriente eléctrica se deben a que las redes plano-hexagonales están íntegramente formadas por enlaces covalentes (muy fuertes y difíciles de romper) y que uno de cada tres enlaces es doble, lo que otorga una gran cantidad de electrones que bajo una diferencia de potencial se mueven fácilmente, permitiendo la conductividad eléctrica. • Diamante: cada átomo de carbono está unido por enlaces covalentes covalentes a cuatro átomos vecinos, cada uno situado en los vértices de un tetraedro regular. Por esta razón, el diamante diamante es durísimo y su punto de f usión tan alto, pues su estructura cristalina tiene una gran regularidad. La energía de los enlaces carbono-carbono es muy grande. A diferencia del grafito, el diamante no puede conducir la corriente eléctrica, pues no posee enlaces dobles; en otras palabras, no posee electrones móviles capaces de migrar frente a una diferencia de potencial. • Carbón: el carbón es un mineral negro, de remoto origen vegetal, que procede de las materias vegetales descompuestas acumuladas desde épocas prehistóricas, con condiciones climáticas que favorecieron un ciclo de crecimiento rápido – descomposición – crecimiento – nueva descomposición, que fue depositando materias vegetales en forma creciente hasta formarse vastos depósitos. Luego, sobre esto se depositaron rocas sedimentarias que impidieron el acceso de aire a las capas inferiores y las sometieron a enormes presiones. Posteriormente, las capas fueron comprimidas en lechos duros, compuestos principalmente por C de las plantas originarias, por , , y algo de S. En consecuencia, el carbón extraído no es 100% carbono sino que mezclas. El carbón más puro es la antracita, que contiene entre 85 y 95% de C. La hulla contiene aproximadamente un 78% de C y la turba, entre 60-70%. Al calentar carbón a altas temperaturas en ausencia de aire, se pueden destilar, entre otros, , fenol, benceno, quedando un residuo conocido como coke, que se aplica en la reducción de mineral de hierro (óxidos) a hierro metálico en la fabricación de acero. En Chile, lo que se obtiene es mineral de hulla en las minas de Lota. El carbono sintético se obtiene mediante procesos que concluyen en: - Carbón vegetal: se obtiene por calentamiento sin aire de la madera. Los desprendidos son una mezcla de compuestos orgánicos de alto valor comercial. - Carbón mineral: se obtiene al someter huesos de animales a calentamiento sin aire y constituye un residuo negro que contiene 10% de carbono, finamente dividido entre la
estructura porosa del fosfato cálcico cálcico
.
1.2 Petróleo Es un líquido oleoso, de color variable que va del amarillo pardo al negro. Consiste en una mezcla compleja de hidrocarburos, desde los de menor número de átomos de carbono hasta los más elevados. Se origina de las materias vivas acumuladas en edades remotas, materias que han sufrido grandes transformaciones químicas en el tiempo. Se encuentra en las formaciones de rocas porosas, envueltas por rocas impermeables que encierran los bolsones de petróleo. Cuando se perfora un bolsón, el petróleo fluye a través de la estructura porosa, empujado por la fusión de los gases y aguas subterráneas, y sale a la superficie. 1.2.1 Refinación del petróleo
La refinación del petróleo, se divide en dos procesos. Por un lado, la destilación fraccionada y posteriormente la etapa de conversión. Una vez extraído el petróleo de los pozos petrolíferos, junto con fracciones de gas y agua, es conducido por lo oleoductos hacia las refinerías, donde ingresa primero a la torre de destilación primaria o torre de destilación atmosférica. La destilación fraccionada es un proceso de separación que se basa en los diferentes puntos de ebullición de la mezcla. También se puede asociar al peso molecular que tienen los hidrocarburos, ya que esto último se relaciona directamente con los puntos de ebullición. Por lo tanto, al ir aumentando la temperatura, los hidrocarburos más livianos (bajos puntos de ebullición) salen por lo más alto de la torre, sin embargo, los más pesados (altos puntos de ebullición) salen por la parte baja de la torre. Todas las fracciones del destilado del petróleo, son sometidas a tratamientos posteriores para convertirlas en los productos finales deseados. Es así como se aplica la conversión, que se basa en ciertos procesos tales como Cracking, Isomerización y alquilación, buscando, de alguna manera, mejorar el rendimiento del crudo, ya que una de las principales finalidades de destilar el petróleo es obtener gran fracción de combustibles. Es así, como el cracking, que puede ser catalítico o térmico, los hidrocarburos más pesados, o de cadenas más larga, se transforman en más livianos o de cadena corta. La Isomerización transforma moléculas en otras de igual número de átomos, pero con disposición distinta. La Alquilación es una síntesis química por medio de la cual se unen olefinas ligeras con isobutano, produciendo un alquilado con puntos de ebullición que se ubican dentro del intervalo de la gasolina.
1.3 Gas natural Es una mezcla de compuestos de carbono e hidrógeno, de baja Masa Molar como el Metano, etano, propano y butano. Siendo el metano el principal gas. Estos hidrocarburos se encuentran en campos subterráneos de arenas u otras rocas porosas. El gas fluye generalmente hacia la superficie cuando el campo es perforado en busca de petróleo.
Ejemplo: Vertedero Lo Errázuriz, Lepanto.
1.4 Productos vegetales y animales Las plantas y animales constituyen fábricas químicas muy eficaces que sintetizan muchos compuestos de carbonos útiles para el hombre, tales como: azúcares, almidones, aceites y ceras vegetales, grasas, gelatina, colorantes, drogas, fibras, etc.
2. Propiedades químicas del carbono La estruct ura electrónica del carbono es: . Puesto que el carbono posee 4 electrones de valencia (los de la última capa), tenderá a formar compuestos en los cuales comparte los 4 electrones de valencia. Es posible observar esta tetravalencia en la mayoría de los compuestos del carbono. siempre rodeado de 8 electrones o de 4 enlaces La regla dice que el carbono estará siempre cuando forme parte de algún compuesto. Cabe destacar que en el carbono, como en otros elementos, es posible observar no sólo enlaces simples en sus compuestos sino que también enlaces dobles (C=C) y triples (C=C), de 4 y 6 electrones, respectivamente. Esta diversidad de enlaces covalentes provienen de la capacidad del átomo de carbono de hibridar sus orbitales s y p por comodidad energética. El átomo, al presentar hibridación, “se siente más cómodo” estructural y energéticamente. Este proceso de hibridación no es otra cosa que una combinación de orbitales de diferente energía y orientación. Este hecho se explica por la “promoción” de un electrón desde un orbital 2s a uno decir, de un estado fundamental a uno hibridado.
. Es Es
Estado fundamental:
Estado hibridado: hibridado:
(Combinación de orbitales)
Quedando en este último caso, 4 que el C quede rodeado de 8
que son capaces de enlazarse de modo de asegurar
en su capa de valencia encia para cumplir con la Ley Ley del Oct eto.
Por lo tanto, no debemos extrañarnos si encontramos compuestos como:
3. Compuestos inorgánicos del carbono a. Carburos Son compuestos formados por carbono y un metal. Ejemplo Carburo de calcio
b. Sulfuros, cloruros y anh ídridos Están formados por carbono y no metales. Ejemplos Sulfuros
Cloruros Anhídridos
c. Ácidos
Disulfuro de carbono
Tetracloruro de carbono Dióxido de carbono
Presentan ciertos H que confieren características ácidas a las soluciones. Ejemplos Ácido carbónico
Ácido cianhídrico
d. Carbonatos, bicarbonatos Carbonatos: son combinaciones de un metal con ácido carbónico. Ejemplo Carbonato de sodio
Bicarbonatos: son combinaciones de un metal con carbonato ácido, en los cuales el metal reemplaza un hidrógeno del ácido carbónico. Ejemplo Carbonato ácido de sodio o b icarbonato de sodio
4. Compuestos orgánicos del carbono 4.1 Los hidrocarburos Corresponden a compuestos formados sólo por carbono e hidrógeno. Se consideran los compuestos orgánicos más simples y su nomenclatura es la base para nombrar todos los compuestos orgánicos. Los hidrocarburos pueden clasificarse según el siguiente cuadro.
4.1.1 Hidrocarburos alifáticos Están constituidos por C y H y se dividen en alcanos, alquenos y alquinos. • Alcanos o parafinas: hidrocarburos saturados de cadena abierta. Pueden suponerse derivados derivados del metano ( ), por sustitución sucesiva sucesiva de de un un H por un grupo – (metilo). (metilo). Su fórmula empírica general es , donde n es el número de átomos de carbono. Cada carbono posee valencia IV y sus enlaces, sean con H u otro C, son “simples” con hibridación que tiene una disposición tetraédrica en el espacio, con cada carbono en el centro del tet raedro. raedro.
En general para los alcanos, siempre los grupos de los extremos de la molécula serán – y, al ir aumentand o el número de carbonos en la cadena, se va añadiendo un – – . Así, el alcano cano que sigue al al metano ( carbono tetravalente:
) resulta resulta de cambiarle arle a éste un H por otro
Nomenclatura: Para nombrar los alcanos se escribe el prefijo que corresponde a su número de carbonos seguida de terminación ANO. Los alcanos con tres o más carbonos pueden ser cíclicos, además de lineales, y ALCANOS . Llevan el mismo nombre del alcano que corresponde constituyen los CICLOS ALCANOS. con cadena abierta, pero se antepone la palabra CICLO.
• Alquenos (Olefinas): (Olefinas) : son hidrocarburos insaturados de fórmula general donde n es el número de átomos de carbono. Resultan de extraer dos hidrógenos de enlaces” carbonos vecinos en un alcano con formación de uno o más “ dobles enlaces” (insaturación – CH=CH– ), que tiene hibridración en cada carbono. En el espacio este doble enlace tiene forma de un plano. Es lógico que los alquenos con un solo carbono no existan, ya que el doble enlace debe ir entre carbono y carbono. Es importante notar que cada carbono sigue siendo tetravalente. Para aumentar el número de carbonos en la serie homóloga de los alquenos, se agrega un – – entre dos carbonos que no estén formando doble enlace. Nomenclatura: Para nombrarlos, se escribe el prefijo que les corresponde según su número de carbonos seguidos de la terminación ENO. • Alquinos: son hidrocarburos insaturados de fórmula general (donde n es el número de carbono). Resultan de la extracción de dos hidrógenos en carbonos vecinos (1 de cada carbono), justo en aquellos que formaban el doble enlace en el alqueno correspondiente, para formar un enlace “triple” con hibridación sp de los carbonos, dispuestos en el espacio de modo lineal.
Cuando se aumenta el tamaño de la molécula,agregamos un – carbonos que no estén formando el triple enlace.
– entre dos
Nomenclatura: Para nombrarlos, se escribe el prefijo que les corresponde según su INO. número de carbonos seguidos de la terminación INO.
4.1.2 4.1.2 Nomenclatura Nomenclatura de algunos hidrocarburos alifáticos Hay hidrocarburos alifáticos que poseen ramificaciones y que serán considerados como derivados alquílicos del hidrocarburo de cadena más larga, es decir, todas las ramificaciones que sobresalgan de la cadena más larga, serán especificados como radicales. Se denotan con una letra R y son hidrocarburos a los que se les es ha sacado un , quedando como aniones. Se nombran con el prefijo que denota su número de carbonos y la terminación IL o ILO. ILO. Ejemplo:
Ejemplo:
Estos radicales son inestables y no se pueden aislar para meterlos en un frasco.
Ejemplo: Sea el compuesto
Como se puede apreciar, la cadena más larga es de 5 átomos de carbonos. Por lo tanto, el compuesto será un derivado ramificado del pentano. Es necesario numerar la cadena, comenzando por el extremo de la molécula molécula que está más cerca de la ramificación: ramificación:
y su nombre es: 3-metilpentano, ya que el radical metil (ramificación) está unido al carbono que ocupa la posición 3 dentro de la numeración de la cadena. Cuando se trata de alquenos y alquinos, donde el doble o triple enlace caracteriza al compuesto, debe indicarse la posición en que se encuentra. Si es necesario, se antepone al nombre del compuesto el número del átomo de carbono en el cual se sitúa el enlace múltiple, eligiendo siempre el Nº menor: Ejemplo: Sea el compuesto
Es un hexeno, pues tiene una cadena de seis átomos de carbono y posee un doble enlace. Como el doble enlace está entre los carbonos 4’y 5’ ó 2 y 3, de las dos numeraciones alternativas se elige la que asigne el número más pequeño a la ubicación del doble enlace. Entonces, el compuesto es el 2-Hexeno. Caso 1 cadena principal= decano sustituyentes= etilo y metilo numeración= izquierda etil -3-metildecano metildecano nominación= 5- etil-3-
Caso 2 cadena principal= octano sustituyentes=etilos y metilos
numeración=derecha nominación= 5,6- dietil-2,4dietil -2,4-dimetiloctano dimetiloctano
Caso 3 cadena principal= deceno sustituyentes=etilos y metilos numeración=izquierda dietil -3,4-dimetil dimetil-4deceno nominación= 6,6- dietil-3,4-4-deceno
Caso 4 cadena principal= decano sustituyentes=isopropil, sustituyentes=isopropil,secbutil secbutily metil numeración=izquierda isopropil-2-metil metil-4secbutildecano nominación= 6- isopropil-2-4-secbutildecano
Caso 5 cadena principal= deceno sust itit uy uyent es es= y me met ilos numeración=izquierda nominación= 2,7,9- trimetil-5trimetil-5-terbutil terbutil-3-3-deceno deceno
Caso 6 cadena principal= nonino sustituyentes=etil y secbutil numeración=izquierda nominación= 6- etil-4etil -4-secbutil secbutil-1-1-nonino nonino
Se observa que en todos los casos, la cadena principal es la fila de carbonos más larga posible y la numeración se ha realizado dejando a los sustituyentes con el número de carbono menor. En casos como el 5 y el 6, donde hay doble y triple enlace, la numeración se hace en el sentido en que dichos enlaces quedan con el número menor.
cadena principal= butano sustituyentes=metilo numeración=derecha nominación= 2- metilbutano
cadena principal= heptano sustituyentes=etilo numeración=derecha o izquierda nominación= 4- etilheptano
cadena principal= butano sustituyentes=metilos numeración=izquierda nominación= 2,2- dimetilbutano
cadena principal= decano sustituyentes=etilo y metilo numeración=izquierda
nominación= nominación= 4-etil-5 metildecano
cadena principal= pentano sustituyentes=metilos numeración=derecha nominación= 2,2,4-trimetilpentano
cadena principal= octano sustituyentes=etilo y propilo numeración=izquierda nominación= nominación= 2-etil-4- propiloctano
4.1.3 Propiedades y usos de los hidrocarburos alifáticos Los hidrocarburos alifáticos son compuestos bastante inertes, por lo que se los usa como solventes. Poseen la propiedad de ser sensibles a la oxidación en condiciones extremas reaccionando con oxígeno según un proceso de combustión y liberando gran cantidad de calor. Ejemplo:
Son compuestos que pueden ser gases, líquidos y también sólidos. Rara vez presentan color, y si lo hacen, éste será alguna variedad del blanco. Los hidrocarburos más usados en la vida diaria son, por ejemplo, el propano y el butano, que en mezcla son usados como combustibles, en estado líquido o gaseoso, conocido como gas licuado. El combustible de los automóviles está constituido por una mezcla de hidrocarburos diferentes de 7 a 9 átomos de carbono; el kerosene (parafina) es otra mezcla combustible, pero sus constituyentes poseen de 9 a 13 átomos de carbono; la esperma de la vela, las grasas (se refiere a las grasas sintéticas) y las ceras son mezclas de carburos saturados y no saturados superiores.
4.2 Hidrocarburos alicíclicos Es un grupo de hidrocarburos que se caracteriza por poseer cadenas cerradas, esto quiere decir que todos los carbonos están unidos a otros carbonos. Las uniones pueden ser simples, dobles o triples, por lo que se mantiene la misma nomenclatura de los alifáticos, solo que a estos compuestos se les agrega el prefijo ciclo.
De los ciclos más abundantes se encuentran los de seis átomos de carbono, como el ciclohexano, formado por una cadena cerrada de seis átomos de carbono unidos entre sí por enlaces simples.
4.3 Hidrocarburos aromáticos 4.3.1 Benceno Todos los hidrocarburos aromáticos guardan relación con el benceno que es el hidrocarburo aromático más simple. Corresponde a un ciclo hexano con todos sus carbonos insaturados con dobles enlaces, pero siendo todos ellos tetravalentes. Su estructura la dedujo Kekulé en 1865.
Formas de escribir el benceno (todas equivalentes):
Nota: Los dobles enlaces de los carbonos son móviles y se dice que están delocalizados. Es por eso que la estructura 1 es equivalente a la estructura 2 y a la estructura 3.
4.3.2 4.3.2 Usos y características de los compuestos aromáticos Los compuestos aromáticos y sus derivados tienen la característica de poseer uno o más anillos bencénicos que puedan estar fusionados o no. Los compuestos aromáticos son tremendamente estables, necesitándose grandes cantidades de energía para descomponerlos (excepción T.N.T). Estos compuestos se encuentran en la naturaleza en el carbón (hulla), de donde se extraen por destilación. Algunos ejemplos de compuestos aromáticos son: Aspirina, Naftalina, Anilina, Paracetamol, etc.
5. Serie homóloga Es una secuencia de compuestos pertenecientes a un mismo tipo orgánico y que difieren entre sí por uno o más grupos . Ejemplo Serie homóloga de hidrocarburos saturados lineales.
Serie homóloga de alcoholes saturados lineales.
6. Isomería Los isómeros son compuestos que presentan el mismo número de átomos, pero distinta estructura, es decir, tienen la misma fórmula global. Así, mientras mayor sea el número de átomos de un compuesto, mayor será el número de posibilidades en que se pueden disponer sus átomos, es decir, mayor será el número de isómeros. De este modo, existen variados tipos de isómeros: 6.1 Isomería estructura estructura l Pueden ser de varios tipos: de esqueleto, de posición y de función. Los isómeros de esqueleto se dan en los compuestos que presentan la misma fórmula global (el mismo número de átomos y el mismo tipo de átomos), pero cuya fórmula estructural o esqueleto carbonado es diferente. Los isómeros de función presentan idéntica fórmula global, pero difieren en el grupo funcional que poseen. Los isómeros de posición pueden darse en compuestos que poseen la misma fórmula global, el mismo esqueleto carbonado y grupo funcional, pero se diferencian únicamente en la posición que ocupa el grupo funcional en el esqueleto carbonado.
6.2 Estereoisomería Los estereoisómeros presentan las mismas características físicas y químicas. En la práctica, los estereoisómeros presentan una imagen especular (o de espejo), es decir, tienen dos ordenamientos espaciales diferentes. Estas estructuras se denominan enantómeros o enanteómeros. La Estereoisomería estudia a los compuestos químicos en tres dimensiones, basándose en el carbono asimétrico de la molécula. En la medida en que una molécula presenta más carbonos asimétricos, aumenta el número posible de estereoisómeros. Así, el número total de estereoisómeros de una molécula se puede calcular según la relación , siendo endo n la cantidad de carbonos asimétricos de la molécula.
7. Funciones orgánicas Los grupos funcionales son grupos de átomos, que ordenados de cierta forma bien definida, confieren propiedades particulares a los compuestos donde se presentan.
a. Alcoholes Resultan de hidrocarburos (alcanos, alquenos o alquinos) en los cuales se ha reemplazado OH. Tienen fórmula general del tipo R – OH. OH. un H por un OH. OL . Se nombran igual que los hidrocarburos que los originan, pero con terminación OL. Ejemplo —
—OH Etanol Etanol
b. Aldehídos Resultan de hidrocarburos en los cuales se ha cambiado un —
terminal por un grupo
Su fórmula general es R — CHO. AL. Se nombran igual que el hidrocarburo que los origina, pero con terminación AL. Ejemplo: — CHO Etanal Etanal
c. Ácidos carboxílicos Resultan de cambiar en un aldehído, el H del grupo por un grupo hidroxilo (OH).
,quedando R–COOH, grupo que recibe el nombre de “carboxilo”. Estos compuestos se nombran con el prefijo que les corresponde según su número de OICO . Para esto, se incluye, al contar los carbonos, el que forma el carbonos y la terminación OICO. grupo carboxílico. Ejemplo: oico, conocido comúnmente como vinagre. —COOH Ácido acét ico o ácido etan oico,
d. Aminas Resultan del reemplazo, en un hidrocarburo, de un H por un grupo es R–
. Su fórmula general
Para nombrarlos, se usa el prefijo que corresponde según su número de carbonos AMINA . terminado en IL, seguido de la palabra AMINA. Ejemplo:
e. Amidas Resultan al cambiar cambiar el H de un grupo grupo aldehído, aldehído, por un grupo grupo amino amino (— R — CO —
), quedando quedando
Su nombre es dado por el prefijo que indica el número de átomos de carbono incluyendo el C del grupo amida, AMIDA. seguido de la terminación AMIDA. Ejemplo:
— CO—
et an anamida
f. Éteres Resultan del reemplazo del H del — OH de un alcohol, por un radical cualquiera. R — O — R’ Se nombran los radicales correspondientes (R y R’) en orden alfabético, seguido de la ÉTER. Los enlaces en torno al oxígeno son simples. palabra ÉTER. Ejemplo:
Fenil - metiléter
g. Cetonas Resultan del reemplazo del H de un aldehído, por un radical cualquiera. R —CO —CO— — R’ Se nombran siguiendo la misma regla de los éteres, seguidos de la palabra CETONA. CETONA. El grupo
se llama “ carbonilo”. carbonilo ”. Ejemplo:
— CO —
dimetilcetona dimetilcetona
h. Ésteres Resultan del reemplazo del H de un ácido carboxílico, por un radical cualquiera. Es equivalente a una sal orgánica. R —COO— R’ ILO. .ATO DE...ILO Se nombran haciendo terminar el ácido en ATO y el radical en ILO. DE...ILO
i. Fenoles son alcoholes de compuestos aromáticos. En general, en el compuesto aromático se reemplaza un H por un OH. Se nombran con terminación OL llevando como prefijo aquel que represente al — OH. anillo aromático. Ejemplo
8. Macromoléculas 8.1 Hidratos Hidratos de carbono (azúcares) elementales o monosacáridos. monosacáridos. Estas moléculas están formadas por varias unidades elementales Presentan como fórmula general . Desde el punto de vista químico, los carbohidratos corresponden a aldehídos o cetonas de 3 a 8 átomos de carbono, con varios grupos hidroxilos (-OH). Los hidratos de carbono que tienen más de 5 átomos de carbono forman ciclos y éstos, a su vez, se unen entre sí para formar disacáridos (como el azúcar de mesa o sacarosa), trisacáridos, trisacáridos, y así sucesivamente hasta llegar a formar polisacáridos como la celulosa ([glucosa] ). El enlace químico que une dos o más monosacáridos se denomina enlace glucosídico. glucosídico. Los hidratos de carbono presentan funciones energéticas, puesto que gracias al metabolismo de los glúcidos la célula obtiene la energía necesaria para su funcionamiento. Otra función destacable de los carbohidratos es su función estructural, ya que forman parte del exoesqueleto de los insectos (quitina) y son constituyentes de la madera en los vegetales (celulosa). 8.2 Lípidos Los lípidos, en su mayoría, están formados por C, H y O. Son compuestos muy abundantes en la naturaleza y corresponden químicamente a triésteres de ácidos grasos saturados (moléculas con enlaces simples de C - C) o de ácidos grasos insaturados (moléculas con enlaces dobles o triples de C - C). Si los compuestos son líquidos (ácidos grasos insaturados) se los denomina aceites y si son sólidos (ácidos grasos saturados) se llaman grasas. En la naturaleza se encuentran presentes en la estructura de las hormonas, cuerpos de animales, semillas de maravilla y soja, entre otros. Los lípidos presentan funciones de reserva , ya que constituyen la principal reserva energética del organismo, puesto que producen el doble de energía que los hidratos de estructural, ya que forman parte de las membranas celulares y función carbono; función estructural, biocatalizadora , por ser constituyentes de vitaminas y hormonas.
8.3 Proteínas Son macromoléculas constituidas principalmente por C, H, O, S y N, átomos que forman los aminoácidos o unidades proteicas fundamentales. De su nombre se deduce que estas moléculas sencillas tienen en su estructura los grupos funcionales aminas ( ) y ácido carboxílico carboxílico (–COOH). polipéptidos . Así, cuando el peso Los aminoácidos se unen entre sí para formar polipéptidos. molecular del polipéptido es superior a los 5.000 g/mol estamos frente a una proteína . El peptídico. enlace que caracteriza la unión de dos o más aminoácidos se denomina enlace peptídico. estructurales, ya que son constituyentes del Las proteínas presentan funciones estructurales, transporte, ya que colágeno y de la pared celular de cilios y flagelos, entre otros; funciones de transporte, organismo, al forman parte de la hemoglobina; funciones enzimática y de defensa del organismo, formar parte de los anticuerpos. 8.4 Ácidos nucleicos Son macromoléculas que reciben este nombre por tener grupos ácidos (ácido fosfórico) y por haberse descubiert o en el núcleo de la célula. Están formados por C, H, O, N y P. os fó fó ri ri co co ( ), az az ú ca ca r es es de de 5 Los ácidos nucleicos están constituidos por á c id o f os carbonos (tales como la ribosa y la desoxirribosa) y 5 bases nitrogenadas: adenina, guanina, timina, citosina y uracilo. Según sea el azúcar y las bases nitrogenadas presentes en la estructura del ácido nucleico, se van a distinguir dos tipos: Ácido DesoxirriboNucleico (ADN o DNA) y Ácido RiboNucleico (ARN o RNA), encargados de transmitir el código genético (DNA) y de descifrar la información genética (RNA).
Todos los hidrocarburos son insolubles en agua por ser compuestos con enlaces covalentes apolares y menos densos que ésta. Por lo tanto, flotan en ella. 9. Uso actual de los compuestos orgánicos a. Haluros • Bromuro de Etilo: Etilo: este compuesto es muy usado por los futbolistas, pues congela a baja temperatura, por lo que al ser aplicado sobre una contusión, adormece o anestesia por congelamiento. Formula
• Cloruro de vinilo: vinilo: este compuesto tiene inmensa importancia en la industria química, pues con él se obtiene el polímero policloruro de vinilo (P.V.C., del inglés poli-vinil-chloride), con el que se fabrica la mayoría de los plásticos rígidos transparentes, como los vasos y envases plásticos. Formula
b. Alcoholes • Etanol: este compuesto es el alcohol etílico, el que se encuentra en cualquier bebida alcohólica y es el responsable, cuando se bebe en exceso, de provocar la pérdida del equilibrio y del conocimiento, en casos extremos. Formula
• Metanol: este compuesto es el alcohol que se obtiene de la destilación de la madera. Se utiliza como disolvente, combustible y en perfumería. Formula
c. Ácidos carboxílicos • Ácido acético o Ácido etanoico: este compuest o se conoce con el nombre de “Vinagre”, que es lo que comúnmente se usa sobre las ensaladas o comidas, en algunos casos. Formula
d. Éter • Dimetil éter: este compuest o volátil de bajo punto de ebullición y propiedades anestésicas, como todos los éteres, es conocido vulgarmente como éter. Fue usado antiguamente en operaciones médicas. Formula
e. Cetonas • Dimetil cetona: este compuest o es muy inflamable. Se utiliza en la fabricación de barnices, es muy común en cosmética como solvente del esmalte de las uñas. Se lo conoce vulgarmente como acetona. Formula
f. Ésteres
En general se usan como disolventes y poseen olor a frutas, pero químicamente no son compuestosaromáticos.
g. Aminas Poseen considerable importancia biológica, pues de ellas derivan los aminoácidos, fundamentales en la síntesis de proteínas. Son parte de enzimas y moléculas que dan origen a la vida propiamente tal.
h. Compuestos aromáticos El benceno se utiliza en la industria como punto de partida para preparar numerosos derivados tales como tolueno, anilina, estireno, ácido benzoico, aspirina, fenol y muchos otros. Se usó como disolvente del adhesivo comercial conocido como Agorex, pero se sustituyó por tolueno, pues el benceno es cancerígeno.
i. Compuestos de uso doméstico Los compuestos orgánicos son parte de la vida cotidiana de las personas, es así que se encuentran tanto en artículos de limpieza, medicamentos como en productos de belleza, dentro de los cuales se pueden mencionar: • Jabón: en la actualidad el jabón, formado generalmente por sales de sodio y potasio de distintos ácidos grasos, se fabrica en grandes calderas de acero donde se calientan las grasas fundidas por vapor de agua mientras se agitan continuamente. De forma gradual, se añade una disolución de hidróxido o carbonato. Una vez lograda la saponificación de las grasas, se añade una disolución concentrada de cloruro de sodio o potasio, separándose el jabón que flota en la superficie, mientras se extrae desde el fondo la glicerina. Posteriormente, el jabón se somete a diversas operaciones de lavado y ebullición en disolución alcalina y se procede a su refinado y acabado. El jabón tiene ventajas por sobre los detergentes, es así que es más barato, atóxico, fabricado a partir de materias primas renovables (aceites y grasas) y es biodegradable, o sea que una vez consumido es destruido por los microorganismos existentes en el agua, que de este modo no contamina el agua. El jabón sólo presenta problemas en dos situaciones: - Cuando el agua utilizada tiene caráct er ácido:
Esta reacción libera el ácido graso, que forma la grasa observada en los tanques, recipientes o tinas de baño. - Cuando el agua usada es dura, es decir, un agua que contiene cationes metálicos, especialmente y , se tiene
Las sales de calcio y o magnesio de los ácidos grasos son insolubles y forman costras en los tanques, cañerías y tinas de baño.
• Detergentes: en 1930 comenzaron a fabricarse en Alemania unas sustancias que reemplazaron a los jabones, éstos eran los detergentes. Su fabricación fue debido a la escases de aceites y grasas que existia durante la segunda guerra mundial. Estos productos basan su acción limpiadora en la presencia de los grupos sulfonatos, sulfatos o fosfatos en lugar de los grupos carboxilatos propios del jabón. La acción sobre la grasa es semejante en detergentes y en jabones. Las gotitas de grasa de la suciedad, se rodean por una capa de moléculas de detergente. Así que mientras el extremo polar hidrófilo de éstas se introduce en el agua, el radical hidrocarbonado no polar de la molécula se adhiere a la grasa. De este modo, las gotas de grasa pueden ser arrastradas y liberadas del sustrato al que están adheridas, tales como la ropa o la piel. La ventaja de los detergentes es que no forman precipitados con los iones del agua dura, por lo que no producen los depósitos típicos del jabón. Sin embargo, hoy sabemos que no es aconsejable el uso de ciertos detergentes. Algunos, una vez vertidos en las aguas residuales, impiden la oxigenación de éstas, deteriorando la vida acuática. Otros producen cantidad excesiva de espumas que no pueden ser descompuestas por bacterias. Decimos biodegradables. que estos detergentes no son biodegradables • Cremas dentales: son productos que contienen detergente por ejemplo el dodecilsulfat o de sodio ( ( ) ) y un abrasivo que es el carbonat o de calcio ( ), también puede presentar glicerina, goma de celulosa, fluoruros y sabor artificial. • Shampoo para el cabello: cabello: contiene detergente, alcohol oleico que actúa como acondicionador, alginato de sodio, que actúa como espesador, alcohol común y perfumes entre otras cosas. • Cremas para la piel: piel: son productos que contienen cera de abeja, aceite de almendras, aceites minerales, vaselina, lecitina, lanolina y perfume, etc. • Lápices labiales: contienen en general cera de abeja, cera de carnauba, alcohol cetilito ( ),silliicona c onas, s,colo colora rante ntess y perf perfum umes es.. • Explosivos: la evolución de la química orgánica trajo el nacimiento de muchas industrias importantes, un ejemplo de esto es la fabricación de los explosivos orgánicos. Se considera explosivo a toda sustancia capaz de descomponerse rápidamente, con expansión súbita de gases y una gran liberación de energía. Desde el punto de vista químico, es interesante notar que la gran mayoría de los explosivos modernos son sustancias orgánicas que contienen nitrógeno en su estructura. Los principales explosivos orgánicos son la nitroglicerina y el trinitrotolueno (T.N.T)
• Tejidos sintéticos: sintéticos: durante muchos siglos, la humanidad solamente usó tejidos de fibras naturales, como el algodón, el lino (ambos constituidos por celulosa), la lana, la seda (ambos formados por proteínas), etc. En particular, los científicos siempre soñaron en fabricar un hilo bonito, resistente y elástico, como hecho por el gusano de seda (Bombyx mori). Al final del siglo 19, hubo varias tentativas para obtener la seda artificial, aprovechando los productos naturales, como el algodón, puesto que contenían celulosa; surgieron de ahí varios tipos de rayones (fibra sintética). En tanto la era de los tejidos sintéticos comenzó realmente con la síntesis del nylon, en 1938. Posteriormente, fueron creados los poliésteres y hasta hoy en día la industria textil investiga nuevas fibras sintéticas de tejidos.
Un combustible combustible a lternativo El metanol Como sabemos, el automóvil se ha constituido en una de las creaciones humanas de mayor uso porque permite desplazarse con rapidez y comodidad a casi cualquier punto dentro de la red vial. Paradójicamente, Paradójicamente, esta comodidad puede convertirse en una fuerte amenaza para la calidad de vida de los ciudadanos: las emisiones de los automóviles contribuyen al efecto invernadero y al aumento de la contaminación atmosférica.
El metanol podría convertirse algún día en un combustible de automóviles que reemplazara a la gasolina. Fuentes energéticas alternativas Para enfrentar los graves problemas que puede significar la alteración de la composición de gases de la atmósfera, las industrias deben afrontar el desafío que representa la producción de vehículos capaces de utilizar otra fuente energética, que sea tan eficiente y que no represente una fuente más de contaminación. Se han evaluado muchas fuentes energéticas alternativas: gas comprimido natural, gas licuado de petróleo, electricidad y metanol. Sin embargo, existen limitaciones para cada uno de ellos. El gas natural comprimido es un combustible que genera contaminantes atmosféricos: el gas licuado de petróleo presenta limitaciones que tienen que ver con el suministro y la electricidad está actualmente condicionada al empleo de grandes baterías que requieren de recarga frecuentemente, por lo que restringen el transporte. Los estudios establecen que una de las más promisorias fuentes energéticas parece ser el metanol, el alcohol más simple que existe
Su empleo rebajaría significativamente las emisiones de gases tóxicos, a tal punto que no serían detectadas por los instrumentos usados para los automóviles con motor a gasolina. Se sabe que el empleo de metanol como combustible en vehículos motorizados produce un 90% menos agentes químicos que contaminan la atmósfera. Otra ventaja del metanol es que éste no produce hollín, a diferencia de los combustibles derivados del petróleo. La producción y el uso generalizado de un combustible alternativo se ha convertido en algo más allá de la necesidad: una urgencia. El parque automovilístico crece en una proporción tal que la amenaza se hace patente cada día.
Ventajas y limitaciones limitaciones del metanol Las investigaciones realizadas dan pruebas irrefutables de que si los vehículos funcionaran con metanol puro se obtendría una notable reducción en los niveles de contaminantes urbanos. Los combustibles como el metanol presentan una estructura química notablemente más simple que los derivados del petróleo, lo que reduce la probabilidad de una
combustión incompleta, fenómeno responsable de generar las sustancias nocivas para la salud y el ambiente. Una de las desventajas que presenta el metanol es su capacidad energética. Si se toman volúmenes iguales de gasolina y metanol, este último sólo produce la mitad de energía. Los científicos creen que esta limitación se puede compensar con la producción de un automóvil más liviano y con el menor consumo de energía para moverlo. Sin embargo, se tienen datos que muestran algunos inconvenientes que habría que superar: la combustión de metanol produce un agente cancerígeno llamado formaldehído, que es producido también por la quema de combustibles derivados del petróleo como la gasolina y el kerosene. Otro de sus inconvenientes se refiere a las propiedades químicas del metanol: es un compuesto altamente corrosivo y también es explosivo y tóxico. Los científicos tienen el reto de encontrar las soluciones que hagan viable la alternativa del metanol. Ya hay ingenieros que creen poder minimizar los posibles riesgos con las adaptaciones pertinentes de los vehículos. Existen otras limitaciones que tienen que ver con el costo de la producción masiva del metanol y la emisión de dióxido de carbono, un gas que participa en el llamado efecto invernadero. Una vez resueltos estos problemas, la utilización del metanol como fuente energética para los vehículos motorizados puede solucionar los problemas de contaminación y constituir la base para la planificación del transporte en el futuro cercano.
10. Producción de bebidas alcohólicas La producción de bebidas alcohólicas es una de las industrias más importante en el mundo, ya que sin lugar a dudas moviliza grandes flujos de dinero.
a. Producción de alcoholes Sin duda, los alcoholes de mayor importancia industrial son, actualmente, el metanol y el etanol. • Metanol: El metanol, alcohol metílico o carbinol, es denominado, “alcohol de madera”, porque puede ser obtenido por el calentamiento de la madera en cilindros cerrados. Actualmente se obt iene mediante mediante dos procesos. - A part ir de monóxido monóxido de carbono
- Por oxidación oxidación controlada del metano
El metanol es el más tóxico de los alcoholes. Ingerido, aunque sea en pequeñas dosis, causa ceguera y hasta la muerte. Es muy utilizado industrialmente, como solvente y en la producción de metanal o formalina, y también puede ser usado como combustible en carros de fórmula Indy y en aeromodelos.
• Etanol: El etanol o alcohol etílico es el alcohol común, de extenso uso doméstico. Se puede obtener mediante: - Hidratación del etileno
- Fermentación de azúcares o cereales En países tropicales, el etanol es obtenido por fermentación del azúcar de caña. En los países templados, se utiliza como materia prima la remolacha, el maíz, el arroz u otro cereal, de ahí el nombre que se le da también como alcohol de cereales. Después de la fermentación, el alcohol es destilado, obteniéndose el etanol común de 96° GL (Gay Lussâc), Lussâc) , que corresponde a una mezcla de 96% de etanol y 4% de agua, en volumen. La escala Gay Lussâc, usada para medir las concentraciones de las mezclas alcohol – agua, es antigua, pero aún es bastante usada en las grandes compañías productoras de alcoholes. En la práctica, dicha escala es incorporada a un densímetro especial, llamado alcoholímetro, en el cual el valor de 0° GL, corresponde al agua pura, y el valor 100° GL, corresponde al etanol puro.
Dos expresiones bastante usadas industrialmente son: Alcohol anhidro o absoluto. Es el alcohol exento de agua (100% etanol), el cual es obtenido industrialmente, destilando el etanol común (96° GL) con benceno, el cual arrastra consigo los 4% de agua existentes en dicho alcohol. El alcohol anhidro es usado en mezcla con la gasolina Alcoholdesnaturalizado. Es el etanol común (96° GL) al cual le fueron adicionados sustancias de olor y sabor desagradables. Esto se realiza para que el “alcohol industrial”, que no está afecto a impuestos, no sea desviado para la fabricación de bebidas alcohólicas (que están afectas a impuestos). En general, el alcohol común es usado como solvente, solvente, como combustible, combustible , como materia prima en la fabricación de otros compuestos orgánicos, orgánicos, enbebidas en bebidas alcohólicas, alcohólicas , etc.
CAPÍTULO 8: ÁCIDO BASE
Los ácidos son sustancias que se comportan como electrolitos, es decir, conforman disoluciones conductoras de electricidad. Ello se debe a la disociación iónica de las moléculas que genera iones en disolución. Aprendizajes esperados • Conocer las teorías usadas en ácido base. • Reconocer e identificar escalas de pH. • Definir términos usados en ácido base.
• Discriminar compuestos ácidos básicos o neutros. Al clasificar las sustancias químicas se trató de agruparlas de acuerdo a sus características más relevantes; es así como se llegó a distinguir 3 grupos: los ácidos, las bases y las sales. Para los ácidos se eligió como caracterí stica más relevante el sabor agrio que ellas presentan. Así, el limón tiene tal sabor gracias al ácido cítrico; el vinagre, al ácido acético que posee, etc. Con respecto a las bases tienen en común su textura jabonosa y presentan un sabor amargo. Son bases, entonces, el hidróxido de sodio, el hidróxido de potasio, etc. Y para el tercer tipo de sustancias se llegó a su característica más relevante: negar las dos anteriores. Sin embargo, esta clasificación es simplista, pues ácidos, bases y sales presentan también características más profundas. profundas.
1. Conceptos y características de ácidos y bases Si se le pidiera definir operacionalmente los ácidos y las bases, sin duda Ud. trataría de observar sus características más relevantes, llegando a concluir lo siguiente: • Ácidos: Son sustancias que se comportan como electrolitos, es decir, conforman disoluciones conductoras de electricidad. Ello se debe a la disociación iónica de las moléculas que genera iones en disolución. Ejemplo
- Al hacerlos reaccionar con un metal se desprende hidrógeno gaseoso. Ejemplo
- Dependiendo de su comportamiento tiñen a algunos indicadores. Por ejemplo, tiñen de rojo al papel tornasol azul. - Al reaccionar con una base, pierden sus propiedades anteriores debido a su neutralización. - Tienen sabor agrio. Esta última propiedad no puede ser comprobada con descuido.
• Bases: Son sustancias que se comportan como electrolitos al igual que los ácidos, aunque los iones que forman obviamente son diferentes. Ejemplo
-
Tiñen de azul al papel tornasol rojo, es decir, es contrario al ácido. Al reaccionar con un ácido, pierde sus propiedades anteriores al neutralizarse. Tienen al tacto una sensación ón jabonosa. jabonosa. Todas est as propiedades se cumplen con más o menos rigurosidad.
• Sales: Las sales no presentan todas las características anteriormente señaladas. Sin embargo, sí son consideradas electrolitos, por lo tanto, se pueden disociar. Ejemplo
Aunque también hay sales que pueden presentar carácter ácido o básico como las sales básicas y ácidas que provocarán hidrólisis.
2. Características químicas de ácidos y bases 2.1. Ácidos Podemos caracterizar a los ácidos a partir de tres hipótesis, las cuales se complementan entre sí. • Hipótesis de Arrhenius → Propone que los ácidos son sustancias capaces de ceder iones en disolución acuosa (HCl, ). • Hipótesis de Brönsted y Lowry → Propone que los ácidos son aquellas sustancias capac capaces es de ceder ceder proton protones es a la disol disolució u ción n( , ). • Hipótesis de Lewis → Propone que corresponden a ácidos todas aquellas sustancias capac capaces es de captar captar elec electron trones es ( , ). Las tres hipótesis son válidas en la actualidad.
2.2. Bases Podemos caracterizar a las bases a partir de las mismas tres hipótesis ya desarrolladas. • Hipótesis de Arrhenius → Propone que las bases son sustancias capaces de ceder iones en disolución acuosa (NaOH, . • Hipótesis de Brönsted y Lowry → Propone que las bases son aquellas sustancias capac capaces es de captar captar proton protones es desde desde la diso disolu luci ción ón ( , ). • Hipótesis de Lewis → Propone que corresponden a bases todas aquellas sustancias capaces de ceder electrones ( , , ). Las tres hipótesis son válidas en la actualidad.
3. Medida de la acidez y basicidad Es posible, medir la acidez o basicidad de una entidad, experimentalmente, a través de un instrumento llamado peachímetro, o bien, utilizando papeles o disoluciones indicadoras. El término usado para dicha medición, es el pH, y es una escala propuesta por el investigador Sörensen. El rango de medición fluctúa entre 0 y 14 y, se define a través del logaritmo de la concentración molar del ión hidrógeno:
También se puede aplicar a la concent ración de del agua, dando:
La escala de pH distingue tres zonas:
, a la constan te de acidez y basicidad
Vemos que tanto la zona ácida como la básica tienen un rango y que la zona neutra tiene un solo valor. Por lo tanto, cada ácido presentado: ácido fuerte y débil y cada base presentada: base fuerte y débil, tendrán su pH característico y la forma de calcularlo varía para cada caso.
Se observa que si la concentración de va disminuyendo, la de va aumentan do. El producto iónico del agua, por ser constante, no puede variar. La zona neutra corresponde a un solo punto, las otras zonas tienen un rango. Por lo tanto, no será difícil establecer una concentración en función de la otra.
3.1 Relación entre pH y pOH Esta relación surge del producto iónico del agua, el cual relaciona la concentración del ión hidrógeno y el ión hidroxilo y se expresa:
Al aplicar logaritmo a esta expresión se obtiene:
Como sabemos que:
reemplazando y multiplicando por -1, se obtiene
Por último, tenemos
Con esta expresión podemos relacionar al pOH y las zonas ácidas, neutras y básicas.
y relacionando pH y pOH se logra:
A medida que aumenta el pH, el pOH va disminuyendo y viceversa. Sin embargo, siempre la suma de ambos debe ser 14.
3.2 Indicadores Los indicadores son compuestos orgánicos principalmente, que tienen un rango determinado de pH a medir. Manifiestan su medición por colores y cuando son agregados a una disolución adquieren tal tonalidad, por lo que se deduce que dicha disolución tiene tal valor de pH. Mientras el pH del compuesto sea ácido, el indicador tendrá un color determinado y si pasa a pH básico manifestará un cambio de coloración. Los indicadores son muy útiles en la titulación de ácido y bases (neutralización).
3.3 Disoluciones buffer Estas disoluciones también son conocidas como amortiguadoras, reguladoras y tampones. Todas indican la misma cualidad que es la de mantener el pH en un cierto rango, el cual no se ve modificado al variar algún factor de la disolución. La sangre es un ejemplo de disolución buffer, su pH está en el rango de 7 a 7.4. En las disoluciones buffer hay un equilibrio entre el componente ácido y básico.
3.4 Neutralización La neutralización es una reacción entre un ácido y una base donde se logra equiparar la fuerza de ambos y el pH de la disolución es neutro. Supongamos el siguiente suceso, sea el HCl y el NaOH, ambos de concentración 0.1 mol/L. En la bureta coloquemos 20 mL de base y en el matraz erlenmeyer 10 mL de ácido. Empecemos a agregar al matraz un volumen de base y midamos el pH cada cierto volumen. Resumamos los resultados en la siguiente tabla:
Al realizar las observaciones respectivas, se observa que a medida que el volumen de base agregado va aumentando también lo hace el pH. Cuando el volumen de base fue igual al del ácido contenido en el matraz, el pH resultó ser neutro y, finalmente, cuando el volumen de base es mayor que el del ácido, se acentuó el carácter básico de la disolución. Se puede notar que cuando el volumen de base agregado es cercano a 10 mL, el pH empieza a subir rápidamente. Se puede pensar que este hecho es proporcional, pero no lo es, dado que al graficar los valores se obtiene una curva logarítmica y no una recta. El pH antes del punto neutro o de equivalencia, se calculó de la siguiente forma: se hizo el supuesto de que los volúmenes son aditivos debido a que las densidades de las soluciones son iguales. Por lo tanto, el volumen final es la suma del volumen de base agregado más el volumen de ácido dado. Los moles en juego se calcularon restando a los moles de ácido los moles de base agregado y luego se aplicó la definición de pH. El pH después del punto neutro se calculó de la siguiente forma: se volvió al supuesto de la suma de los volúmenes y, en este caso, se establece la concentración de hidróxido y los moles en juego son los de base agregados menos los moles de ácido dado. Por ello es que el pH debe dar básico después del punto neutro. Finalmente, se puede calcular el pH de zona neutra sabiendo las concentraciones en juego y los volúmenes respectivos con el supuesto de que los volúmenes se suman.
Trat amiento de la acidez acidez estomacal Los antiácidos Los trastornos gastrointestinales son en la actualidad uno de los problemas que más afectan a las personas. Las comidas rápidas y la tensión producida por la agitación con la que se vive, influyen en la aparición de enfermedades como la hiperacidez y las úlceras gástricas. Las células que revisten el estómago segregan el fluido llamado jugo gástrico que tiene un alto contenido de ácido clorhídrico (HCl). La concentración de este ácido en el jugo gástrico es de 0,03 moles/L aproximadamente, lo que corresponde a un pH de 1,52. El HCl se produce cuando los alimentos llegan al estómago, y el rol que cumple en la digestión es clave. Sin embargo, cuando una persona ha comido en exceso o está sometida a tensiones emocionales, las células del estómago secretan una mayor cantidad de este ácido, el medio estomacal se torna más ácido y surgen los conocidos malestares de la acidez. Para combatir estos síntomas existen ciertos fármacos llamados antiácidos, que contienen bases capaces de neutralizar el exceso del ácido clorhídrico en el estómago. La eficacia de los antiácidos se mide por la capacidad de neutralizar sólo el exceso de la acidez, ya que si el pH del medio estomacal aumenta a valores mayores que 4, se podría dificultar la acción de enzimas digestivas, como la pepsina, que son fundamentales para la degradación de los alimentos. Por lo tanto, el contenido de sustancias básicas en los antiácidos, no debe ser mayor a la cantidad estequiométrica necesaria para la neutralización del exceso de ácido clorhídrico solamente. Los antiácidos, que se expenden en el comercio contienen, como máximo, 2 g de bicarbonato de sodio o 1 g de carbonato de calcio. Las reacciones de neutralización se representan por las ecuaciones (1) y (2). Uno de los productos de estas reacciones es el gas dióxido de carbono, que en el estómago puede aumentar la presión de los gases y ocasionalmente producir eructos. Los antiácidos que contienen bases como el hidróxido de magnesio o el hidróxido de aluminio, no generan dióxido de carbono en el proceso de neutralización. Otra condición que debe cumplir un antiácido es no alterar la composición del plasma sanguíneo. Una dosis elevada de bicarbonato de sodio puede producir el aumento del pH sanguíneo, causando la afección conocida como alcalosis metabólica. Los antiácidos pueden tener efectos colaterales, por ejemplo un exceso de hidróxido de magnesio puede ocasionar diarrea; en cambio, el de aluminio produce estreñimiento. La persona con hipertensión debe tener cuidado con el bicarbonato de sodio, ya que estos pacientes deben controlar su consumo de sodio. Para quienes sufren osteoporosis, degeneración de los huesos causada por la pérdida de calcio, es recomendable que ingieran antiácidos que contengan calcio, como el carbonato de calcio.
CAPÍTULO 9: MATERIALES DE USO COTIDIANO
La mayoría de los objetos que usamos en forma cotidiana, se han formado a partir de elementos y compuestos químicos que se han unido de manera especial para constituir todos los productos manufact urados que conocemos en la actualidad. De este modo, la “ciencia y tecnologí a de los materiales” se ha encargado de estudiar la forma de adaptar y fabricar materiales para responder a las necesidades de la tecnología moderna. Aprendizajes esperados Conocer los distintos procesos de elaboración de materias primas. Reconocer los avances realizados en las diversas industrias. Distinguir los compuestos principales de los productos obtenidos. 1. Materiales La ciencia y tecnologí a de los materiales se ha encargado de estudiar la forma de adaptar y fabricar materiales, tanto metálicos como no metálicos, para responder a las necesidades de la tecnología moderna. Empleando diferentes técnicas de laboratorio, los científicos han hallado nuevas formas de utilizar el plástico, la cerámica y otros no metales en aplicaciones antes reservadas exclusivamente a los metales. Después de descubrir que ciertos mat eriales no metálicos, como el silicio, o, podían conducir la electricidad, los investigadores diseñaron acuciosos métodos para la fabricación de minúsculos circuitos integrados en un pequeño chip de silicio. Esto hizo posible la miniaturización de los componentes de aparatos electrónicos tales como las computadoras. A finales de la década de 1980, la ciencia de los materiales tomó un nuevo auge con el descubrimiento de materiales cerámicos que presentaban la capacidad de ser superconductores a temperaturas más elevadas que los metales y que podrían tener innovadoras aplicaciones, como en el desarrollo de los trenes de levitación magnética o las computadoras ultrarrápidas. Aunque los últimos avances de la ciencia de materiales se han centrado sobre todo en las propiedades eléctricas, las propiedades mecánicas como la tensión, la compresión, la torsión, la flexión, siguen teniendo una gran importancia puesto que los materiales sólidos sometidos a dichas fuerzas pueden sufrir una serie de deformaciones permanentes y graduales (plastodef ormación y fatiga) hasta llegar a la fractura, y es esto, precisamente lo que se pretende evitar. A continuación, mencionaremos los materiales de mayor uso en nuestra sociedad.
1.1 Cerámicos
a. Arcilla Material compuesto por un grupo de minerales formados por la meteorización (proceso de desintegración física y química ) de rocas feldespáticas tales como el granito. feldespato, constituye un extenso grupo de minerales compuesto por E l feldespato, aluminosilicatos de pot asio ( ), de sodio ( ), de calcio ( ) e inclusive, de bario, que se encuentran en forma de cristales aislados o en masas y que son el principal constituyente de la mayoría de las rocas ígneas tales como el granito, el gneis, el basalto y otras rocas cristalinas. En estos materiales, el grano es de tamaño microscópico y con forma de escamas, lo que hace que la superficie de agregación sea mucho mayor que su espesor, permitiendo un gran almacenamiento de agua por adherencia, otorgándole plasticidad a la arcilla y provocando la hinchazón de algunas variedades. La arcilla común es una mezcla de caolín y de polvo fino de algunos minerales feldespáticos anhidros (sin agua) que son capaces de ser moldeados cuando se humedecen con agua. Las variedades más comunes de este material son: la arcilla china o caolín; la arcilla de pipa, similar al caolín pero con un contenido mayor de sílice; la arcilla de alfarería; la arcilla de escultura o plástica; la arcilla para ladrillos, una mezcla de arcilla y arena con pequeñas cantidades de hierro; y la arcilla refractaria, con pequeño o nulo contenido de caliza o de hierro. En general, las as arcillas plásticas se usan en todos los tipos de alfarerí a, en la fabricación de ladrillos, de baldosas, de azulejos, de ladrillos refractarios y de otros productos más finos como la porcelana.
b. Azulejo Pieza delgada de arcilla vidriada (mediante aplicación de minerales vitrificantes como sílice o boro) o sin vidriar que se utiliza para cubrir o decorar suelos y paredes. Los azulejos modernos se pueden fabricar con arcilla de grano fino prensada a máquina; o mediante el vaciado de la barbotina , (arcilla líquida) dentro de un molde poroso. Antes de la cocción, puede añadirse barniz y hacerse una decoración pintada con óxidos metálicos. Dependiendo del tipo de arcilla y de la temperatura de cocción, los azulejos pueden variar desde los de loza porosa hasta los de porcelana vidriada.
c. Cerámica Material compuesto por arcilla endurecida mediante endurecida mediante cocimiento en hornos. La naturaleza y el tipo de la cerámica están determinados por la composición de la arcilla, el método de su preparación, la temperatura a la cual se ha cocido y los barnices que se han utilizado. Se distingue de la porcelana por ser porosa y opaca. Como se cuece a temperatura más baja que ésta, no llega a vitrificar. d. Loza porosa cocida, por lo general, a la temperatura más baja del La loza es una cerámica porosa cocida, horno (900-1.200 ºC). Dependiendo del tipo de arcilla utilizada, al cocerse adquiere color amarillo, rojo, pardo o negro. Para hacerla resistente al agua, es necesario barnizarla. En general, los óxidos metálicos son los que le confieren el color a los barnices. De este modo, el cobre hace que el barniz de plomo adquiera una tonalidad verdosa, y el barniz alcalino una tonalidad turquesa; un fuego bajo hace que el cobre se torne rojo. El hierro puede dar tonalidad amarilla, parda, gris verdosa o, azul y, mezclado con otros minerales, rojo. Como se puede apreciar, los efectos específicos de cada barniz sobre la pasta de arcilla dependen tanto de su composición como del control de la temperatura del horno. Bajo este punto de vista, el proceso de cocción de la arcilla requiere de un control muy riguroso para lograr el efecto deseado en la obtención de loza, ya que pueden conseguirse efectos diferentes debido a un aumento de la cant idad de oxígeno en la combustión (con la adecuada ventilación para producir grandes llamas) o por la reducción del oxígeno con la obstrucción parcial de la entrada de aire en el horno. Una arcilla rica en hierro, por ejemplo, se volverá de color rojo si se cuece con un fuego rico en oxígeno, mientras que en un horno pobre en oxígeno se volverá volverá de color or gris o negro, negro, pues el óxido rojo de de hierro hierro de la arcilla la ( ) se convierte en óxido negro de hierro (FeO) al desprenderse una molécula de oxígeno de la arcilla para compensar la falta de éste en el horno.
e. Cemento Sustancia de polvo fino capaz de formar una pasta blanda al mezclarse con agua y que se endurece endurece espontáneamente en cont acto con el aire. Tiene diversas aplicaciones, como por ejemplo, la obtención de hormigón por la unión de arena y grava con cemento Portland (es el más usual). Este material es utilizado para pegar superficies de distintos materiales o para revestir ciertas superficies a fin de protegerlas de la acción de sustancias químicas. La clasificación de un cemento se puede hacer según: el nombre del componente principal, como por ejemplo, el cemento calcáreo que contiene óxido de silicio, o como el cemento epóxico, epóxico, que contiene resinas epoxídicas; o bien, según la principal característica que posea, como por ejemplo, el cemento hidráulico o rápido, o los cementos refractantes que son capaces de resistir altas t emperaturas Los cementos utilizados en la construcción también se pueden denominar según su romano, o según su parecido con otros materiales, como origen, como es el caso del cemento romano, Portland . el cemento Portland. Los cementos Portland consi consisten s ten en mezcl mezclas a s de sili silicato c ato tricá tricálc lcic ico o( · ), alumin u minato ato t riric ál álc ic o ( · ) y s il ic at at o d ic ál ál ci cic o ( · ) en en di di ve ve rs rs as as pr pr op op or or ci cio ne ne s, s, j u un n to to co co n pequeñas cantidades de compuestos de hierro y magnesio. Este tipo de cemento se fabrica a partir de piedra caliza, arcillas, pizarras o escorias de altos hornos que contienen óxido de aluminio y óxido de silicio, en proporciones aproximadas de un 60% de cal, 19% de óxido de silicio, 8% de óxido de aluminio, 5% de hierro, 5% de óxido de magnesio y 3% de trióxido de azufre. En general, las rocas cementosas presentan dentro de su composición estos elementos en las proporciones adecuadas, por lo tanto, se puede obtener cemento a partir de ellas sin necesidad de emplear otras materias primas. Para la fabricación del cemento, se trituran las materias primas mezcladas y se calientan hasta que se funden, formando el “clínquer”, que a su vez se tritura hasta lograr un polvo fino. En los hornos modernos, se pueden obtener de 27 a 30 kg de cemento por cada 45 kg de materia prima. El cemento Portland se emplea hoy en la mayoría de las estructuras de hormigón. En general, si se desea que el cemento adquiera otras características de acuerdo al uso que se le va a dar, se puede variar la cantidad de sus componentes o se pueden agregar otros. Así por ejemplo, para retardar el proceso de endurecimiento, se suele añadir yeso. En estructuras construidas bajo el mar, se emplean normalmente cementos con un contenido de hasta un 5% de óxido de hierro, y cuando se precisa resistencia a la acción de aguas ricas en sulfatos se utilizan cementos con una composición de hasta un 40% de óxido de aluminio. Actualmente, la mayor producción de cemento se genera en los países industrializados, aunque también es importante la industria cementera en los países menos desarrollados. La antigua Unión Soviética, China, Japón y Estados Unidos son los mayores productores, pero Alemania, Francia, Italia, España y Brasil son también productores importantes.
f. Vidrio El vidrio se define como una sustancia amorfa donde las unidades moleculares tienen suficiente suficiente cohesión para presentar rigidez dez aunque éstas se encuentran en un estado vít reo. El vidrio drio se fabrica fundiendo sílice ( ) a altas tas temperaturas junto con ciertos minerales nerales que contienen boratos y/o fosfatos. En la naturaleza, se encuentra formando parte de la obsidiana , obsidiana , que es un material volcánico. Su principal caracterí stica es que puede enfriarse hasta su solidificación, dificación, sin que se produzca la cristalización de sus componentes; y luego, mediante calentamiento, puede volver a su forma líquida. El vidrio fundido es maleable y se le puede dar forma deseada mediante diversas técnicas. En general, suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los ingredientes empleados en su fabricación. En la mayoría de los vidrios, la sílice se combina con otras materias primas como carbonato de sodio o potasio, carbonato de calcio y magnesio, plomo o bórax, en distintas proporciones, para mejorar sus propiedades físicas. Así, te nemos vidrio sodocálcico, vidrio drio al plomo, vidrio de borosilicato, etc. Gracias a que es un material que sufre poca contracción y dilatación frente a los cambios de temperatura, es adecuado para la fabricación de aparatos de laboratorio y objetos sometidos a grandes choques t érmicos. Por otra parte, como es un mal conductor del calor y la electricidad, result a muy útil para el aislamiento térmico y eléctrico. Dentro de la amplia gama de aplicaciones del vidrio, tenemos: el vidrio de ventana, el vidrio de placa, botellas y recipientes, el vidrio óptico, el vidrio fotosensible o fotocromático, la industria de la vitrocerámica, fibras de vidrio, espuma de vidrio, vidrio láser, etc.
1.2 Plásticos a. Tipos de plásticos Los plásticos son polímeros orgánicos que tienen la capacidad de deformarse hasta conseguir una forma deseada mediante ciertos procesos como la extrusión, el moldeo o el hilado. natural, como por ejemplo la Las moléculas de estos polímeros pueden ser de origen natural, sintéticas, como el polietileno y el nylon. celulosa, la cera y el caucho natural (hule) o sintéticas, Las cadenas de estas enormes moléculas pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas, dependiendo del tipo de plástico. Las moléculas lineales y ramificadas son termoplásticas (se ablandan con el calor), mientras que las entrecruzadas son termoestables (no se ablandan con el calor). En general, los plásticos se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad, lo que les confiere excelentes propiedades para usarlos como aislantes térmicos y eléctricos, así como también, una gran resistencia a la acción de ácidos, álcalis y otros disolventes. En general, la fabricación de los plásticos implica cuatro pasos básicos: obtención de las materias primas, síntesis del polímero básico, obtención del polímero como un producto utilizable industrialmente y moldeo o deformación del plástico hasta su forma definitiva. Durante las décadas posteriores a la obtención de celuloide, aparecieron otros tipos de plásticos tales como la baquelita , el rayón (material polimérico fabricado a partir de la (PVC). celulosa, nitrato de celulosa o etanoato de celulosa) y el policloruro de vinilo (PVC). Uno de los plásticos más populares desarrollados durante este periodo, es el metacrilato de metilo. metilo . Debido a sus excelentes propiedades ópt icas, este mat erial puede utilizarse para la manufactura de gafas y lentes, o en el alumbrado público o publicitario. Las resinas de poliestireno , comercializadas alrededor de 1937, se caracterizan por su alta resistencia a la alteración química y mecánica a bajas temperaturas y por su escasa absorción de agua. Estas propiedades hacen del poliestireno un material adecuado para aislamiento y accesorios utilizados a bajas temperaturas, como en instalaciones de refrigeración y en aeronaves destinadas a los vuelos a gran altura. El PTFE (politetrafluoretileno), sintetizado por primera vez en 1938, se comercializó con el nombre de teflón en 1950. Otro descubrimiento fundamental en la década de 1930 fue la nylon. síntesis del nylon.
Durante la II Guerra Mundial, la industria de los plásticos demostró ser una fuente inagotable de sustitutos para materiales tales como el látex. De este modo, el nylon se convirtió en una de las fuentes principales de fibras textiles. Los poliésteres se utilizaron en la fabricación de blindajes y otros materiales bélicos, y se produjeron grandes cantidades de varios tipos de caucho sintético. Durante el periodo de la posguerra, se mantuvo el elevado ritmo de los descubrimientos y desarrollo en la industria de los plásticos. Tuvieron especial interés los avances realizados en polímeros tales como policarbonatos, acetatos y poliamidas. De este modo, se utilizaron materiales sintéticos en lugar de los metales para fabricar maquinarias, cascos de seguridad, aparatos sometidos a altas temperaturas y muchos otros productos utilizados en lugares con condiciones ambientales extremas. polietileno, y en 1954 el italiano En 1953, el químico alemán Karl Ziegler desarrolló el polietileno, Giulio Natta desarrolló el polipropileno, que son los dos plásticos más utilizados en la actualidad.
b. C lasificación de plásticos según el proceso de polimerización merización • Polímeros de condensación: Estas reacciones producen polímeros de diferentes longitudes. Algunos ejemplos de este tipo de polímeros son el nylon, los poliuretanos y los poliésteres. • Polímeros de adición: Estas reacciones producen polímeros de longitudes específicas. Algunos polímeros típicos de adición son el polietileno, el polipropileno, el policloruro de vinilo y el poliestireno. Como sabemos, la naturaleza química de un plástico depende del monómero, unidad repetit iva, que compone la cadena del polímero. Por ejemplo, las poliolefinas están compuestas por monómeros de olefinas, que son hidrocarburos de cadena abierta con al menos un doble enlace. El polietileno es una poliolefina cuyo monómero es el etileno. Otros tipos de polímeros son los acrílicos (como el polimetacrilato), los poliestirenos, los halogenuros de vinilo (como el policloruro de vinilo), los poliésteres, los poliuretanos, las poliamidas (como el nylon), los poliéteres, los acetatos y las resinas fenólicas, celulósicas o amínicas. En general, la fabricación de los plásticos implica cuatro pasos básicos: obtención de las materias primas, síntesis del polímero básico, obtención del polímero como un producto utilizable industrialmente y moldeo o deformación del plástico hasta su forma definitiva. En cuanto a las materias primas utilizadas, debemos mencionar que en un comienzo la mayoría de los plásticos se fabricaban a partir de resinas de origen vegetal, como la celulosa (del algodón), el furfural (de la cáscara de la avena), aceites de semillas y derivados del almidón o del carbón, la caseína de la leche, et c. Sin embargo, la mayoría de los plásticos que se elaboran en la actualidad, utilizan como materias primas cualquiera de los subproductos del petróleo debido a su bajo costo y alta versatilidad. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón. De acuerdo al uso que se le dará al material plástico, éste deberá presentar alguna propiedad determinada. Para ello, se utilizan los aditivos químicos. Por ejemplo, los antioxidantes protegen al polímero de degradaciones químicas causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizantes lo protegen de la intemperie. Los plastificantes producen un polímero más flexible, los lubricantes reducen la fricción y los pigmentos pigmentos colorean colorean los plásticos. Algunas sustancias ignífugas y antiestáticas t ambién se utilizan como aditivos. En consecuencia, las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación. c. Aplicación de los plásticos
Los plásticos tienen cada vez más aplicaciones en los sectores industriales y de consumo. Por ejemplo, el polietileno de baja densidad, en forma de rollos de plástico transparente, se comercializa regularmente para ser utilizados como envoltorios. El polietileno de alta densidad, se utiliza para películas plásticas más gruesas, como las usadas en las bolsas de basura. Otros productos empleados frecuentemente para el empaquetado son: el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el policloruro de vinilideno y el polipropileno. Especialmente est e último, ya que gracias a sus propiedades, otorga una muy buena barrera contra el vapor de agua, por lo que tiene aplicaciones domésticas en forma de películas plásticas y, en forma de fibra, se utiliza para fabricar alfombras y sogas. La construcción ón es ot ro de los sectores que más utiliza todo tipo de materiales materiales plásticos, incluidos los de empaquetado, descritos anteriormente. El polietileno de alta densidad se usa en tuberías, del mismo modo que el PVC. Éste, además se emplea en forma de láminas como material de construcción. Muchos plásticos se utilizan para aislar cables e hilos, y el poliestireno aplicado en forma de espuma, sirve para aislar paredes y techos. También se hacen marcos para puertas, ventanas y techos, molduras y otros artículos. Además de la construcción, otros sectores industriales dependen también de estos materiales en la actualidad. Por ejemplo, ciertos plásticos muy resistentes se utilizan para fabricar piezas de motores, colectores de toma de aire, tubos de combustible, botes de emisión, bombas de combustible, carcasas para equipos de oficina, dispositivos electrónicos y herramientas. La mayor parte de las carrocerías de automóviles están hechas de plásticos reforzados con fibra de vidrio. Entre las aplicaciones de los materiales plásticos en productos de consumo, se encuentran los juguetes, las maletas y los artículos deportivos. Debido a que los plásticos son relativamente inertes, los productos terminados no representan ningún peligro para el fabricante o el usuario. Sin embargo, se ha demostrado que algunos monómeros o ciertos solventes (como el benceno) utilizados en la fabricación de estos materiales pueden producir cáncer. En cuanto a los inconvenientes que ocasiona la industria del plástico, estos problemas son similares a los de la industria química en general, es decir, la alta contaminación que se provoca. Como se sabe, la mayoría de los plásticos sintét icos no pueden ser degradados por el entorno porque, a diferencia de las fibras naturales, o inclusive del metal y del vidrio, no se oxidan ni se descomponen con el tiempo. Así, a pesar de haberse desarrollado algunos plásticos degradables, ninguno ha demostrado ser viable para las condiciones requeridas en la
mayoría de los vertederos de basuras. En definitiva, la eliminación de los plásticos representa un problema medioambiental. El método más práctico para solucionar este problema es el reciclaje, que se utiliza, por ejemplo, con las botellas de bebidas gaseosas fabricadas con tereftalato de polietileno. En este caso, el reciclaje es un proceso bastante sencillo.
• Celuloide: Nombre comercial con el que se conoce un tipo especial de plástico sintético producido al mezclar nitrato de celulosa, o piroxilina , con pigmentos y agentes de relleno en una disolución de alcanfor y alcohol. Al calentarse, se vuelve flexible y maleable, y puede moldearse en numerosas formas. Una vez frio y seco, el material se hace duro. El celuloide es transparente e incoloro, y la pasta puede colorearse, enrollarse y moldearse en formas determinadas. Dentro de la grandes ventajas que presenta este material, destacan un alto brillo, bajo costo y alta durabilidad, ya que no se tuerce, no se decolora y no le afect a la humedad. Sin embargo, su principal inconveniente es una alta inflamabilidad, y a pesar de las modificaciones introducidas en su elaboración para reducir el peligro de incendio, ha sido reemplazado por otros materiales en numerosas aplicaciones, como es el caso de las cintas cinematográficas. • Metacrilato: Nombre común del polimetacrilato de metilo, polímero sintético obtenido por adición de radicales libres del monómero llamado metacrilato de metilo, . En el laboratorio,, se obtiene calentando el monómero en presencia de un iniciador, luego de esto, la reacción se propaga hasta formar un macrorradical y el proceso se termina por desproporción. En la industria, la polimerización se controla hasta que se obtiene una consistencia de jarabe el que luego se se vierte vierte en un molde,entre láminas nas de vidrio verticales, es, donde termina termina la polimerización. El resultado es un plástico transparente, incoloro aunque fácil de colorear, y que adopta la formadel recipiente que lo contiene. Además de poseer excelentes propiedades ópticas, es resistente a la intemperie, a los golpes, a las disoluciones diluidas de ácidos y bases, y a la abrasión. En general, se utiliza en la fabricación de múltiples productos, como tulipas, diales, mangos, objetos de bisutería, carteles y lentes. Se encuentra disponible en hojas, barras, tubos por fusión y en composiciones por moldeo y extrusión.
• Poliestireno: Son materiales obtenidos de la p olimerización del estireno. Según sea el tipo de monómero del estireno utilizado en la polimerización, se pueden distinguir diversos tipos de poliestirenos que poseen propiedades químicas y físicas muy diferentes. Por ejemplo, el poliestireno cristal es un polímero puro del estireno, sin modificadores, lo que lo convierte en un material transparente, quebradizo e inflamable, pero con muy buenas propiedades eléctricas. El poliestireno expandido se prepara por polimerización en suspensión del estireno en presencia de agentes aireantes y, a partir de él, se obtienen las espumas aislantes; también se utiliza para embalar productos alimenticios y objetos frágiles. Otro poliestireno, traslúcido, muy resistente al impacto y a las bajas temperaturas, es el poliestireno de impacto que se obtiene por polimerización del estireno en presencia de caucho buna. Es menos resistente a la alteración química y al envejecimiento que el poliestireno clásico, y se utiliza sobre todo, en las instalaciones de refrigeración y en la fabricación de tapones, vasos desechables y lámparas. La polimerización del estireno con propenonitrilo genera otro tipo de poliestireno muy resistente al rayado y a la acción de los agentes químicos. Este material es un termoplástico cuya polimerización se lleva a cabo en masa o en suspensión, mediante radicales libres.
• Polietileno: Material obtenido al polimerizar monómeros de etileno y que se designa con la sigla PE. Es uno de los materiales plásticos de mayor producción. Según el proceso de polimerización, se distinguen varios tipos de polietilenos: el de baja densidad, el de alta ta densidad y los lineales de baja densidad. El polietileno de baja densidad (LDP), es un polímero ramificado que se obtiene por la polimerización en masa del etileno, mediante un mecanismo de radicales libres, a alta presión. Es un sólido más o menos flexible, ligero y buen aislante eléctrico que presenta, además, una gran resistencia mecánica y química. Gracias a sus características y bajo costos, se utiliza mucho para envasado, revestimiento de cables y en la fabricación de tuberías. A partir del polietileno de baja densidad se obtiene el polietileno reticulado (con enlaces entre cadenas vecinas), que es un material rígido y mucho más resistent e a la tracción y al cambio de temperatura. Se utiliza para proteger y aislar líneas eléctricas de tensión baja y media. El proceso de polimerización del polietileno de alta densidad (HDP), se lleva a cabo a baja presión y con catalizadores en suspensión. Debido a esto, se obtiene un polímero muy cristalino, de cadena lineal muy poco ramificada. Su resistencia química y térmica, así como su opacidad, impermeabilidad y dureza son superiores a las del polietileno de baja densidad, aunque este último es más resistente al agrietamiento y los impactos. Este polietileno es ampliamente utilizado en la construcción y también para la fabricación de prótesis, envases, balones para gases y contenedores de agua y combustible. El polietileno lineal de baja densidad (LDLP), se obtiene al polimerizar etileno con un alqueno (especialmente 1-buteno) a baja presión, en disolución, suspensión o fase gaseosa, y en presencia de catalizadores. Se trata de un polímero lineal con ramificaciones cortas que hacen que su temperatura de fusión y su resistencia a la tracción y al agrietamiento sean superiores a las del polietileno de baja densidad. El LDLP se emplea en el recubrimiento de cables y en la fabricación de objetos moldeados por extrusión o soplado. • PVC: Siglas con que se designa el policloruro de vinilo, de adición que se obtiene por la polimerización del cloruro de vinilo molecular relativa puede llegar a ser de 1.500.000.
, polímero sintét ico . Su masa
El proceso de polimeriz ación se efectúa en suspensión acuosa, utilizan do un jabón como emulsionante y un persulfato como iniciador, y transcurre en las tres etapas típicas de las reacciones por radicales libres: iniciación, propagación y terminación. En la etapa de iniciación, un radical libre reacciona con el cloruro de vinilo para dar un
radical libre de cloruro de vinilo:
Durante la propagación, el radical del monómero reacciona con más moléculas de cloruro de vinilo obteniéndose un macrorradical:
La última etapa, es decir la etapa de terminación, es una reacción de acoplamiento de dos macrorradicales. El PVC es un plástico duro, resistente al fuego, a la luz, a los productos químicos, a los insectos, a los hongos y a la humedad. Es ignífugo, no se rompe ni se astilla, ni se mella fácilmente. Todas estas propiedades, y el hecho de que no requiera ser pintado y que pueda reciclarse, implican un bajo costo de mantenimiento y un menor impacto ambiental. Su rigidez permite utilizarlo en la fabricación de tuberías, láminas y recubrimientos de suelos. Se hace flexible al mezclarlo con un plastificante, generalmente un poliéster alifático, siendo utilizado como aislante de tendidos eléctricos, como cuero sintético, para la fabricación de envases de alimentos y de artículos impermeables. • Teflón: Este material es una resina resistente al calor y a los agentes químicos, que se obtiene por polimerización, a alta presión, del tetrafluoretileno ( ) con un iniciador de radicales libres. La energía que se desprende en la reacción de polimerización es tan elevada que se deben tomar bastantes precauciones para evitar una probable explosión. Este plástico puede resistir temperaturas hasta de 300 ºC y se caracteriza por presentar una extraordinaria inercia química frente a todos los disolventes y agentes químicos, exceptuando los metales alcalinos en estado fundido, y al flúor a presión y temperaturas elevadas. elevadas. Frente al agua presenta una resistencia completa y una absorción absolutamente nula. El teflón es incombustible, no inflamable, antiadherente y no absorbe olores ni sabores. Además es aislante eléctrico y presenta resistencia total al envejecimiento y a los rayos ultravioletas. Todas estas propiedades, junto a sus elevadas tenacidad y flexibilidad, convierten al teflón en un material con múltiples aplicaciones como por ejemplo, revestimiento para hilos eléctricos y cables, vainas de protección, bobinas de motores, diafragmas y membranas; moldeado y fabricación de ut ensilios de uso doméstico y artí culos de todo tipo.
1.3 Caucho Esta sustancia, de origen natural o sintética, que se caracteriza por su elasticidad, repelencia al agua y resistencia eléctrica también se conoce con el nombre de hule. El caucho natural se obtiene de un líquido lechoso de color blanco llamado látex, que se encuentra en numerosas plantas. El caucho sintético se prepara a partir de hidrocarburos insaturados. Las principales fuentes de caucho puro son las láminas y planchas de látex obtenido de las plantaciones del árbol Hevea, además del látex no coagulado, empleado en algunas industrias. El caucho, en estado natural ,es un hidrocarburo blanco o incoloro. El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es . A la temperatura del aire líquido, alrededor de -195 ºC, el caucho puro es un sólido duro y transparente. De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se vuelve blando, flexible y translúcido. Al amasarlo mecánicamente, o al calentarlo por encima de 50 ºC, adquiere una textura de plástico pegajoso. A temperaturas de 200 ºC o superiores se descompone. El caucho puro es insoluble en agua, álcalis o ácidos débiles, y soluble en benceno, petróleo, hidrocarburos clorados y disulfuro de carbono. Con agentes oxidantes químicos se oxida rápidamente, pero con el oxígeno de la atmósfera lo hace lentamente. Actualmente, para la fabricación de artículos de caucho natural, éste se trata junto a
otras sustancias y se procesa mecánicamente. La mezcla obtenida, se coloca en moldes para su posterior vulcanizado. El caucho vulcanizado tiene más elasticidad y mayor resistencia a los cambios de temperatura que el no vulcanizado; además es impermeable a los gases y resistente a la abrasión, a los agentes químicos, al calor y a la electricidad. También posee un alto coeficiente de rozamiento en superficies secas y un bajo coeficiente de rozamiento en superficies mojadas por agua. El principal agente vulcanizante sigue siendo el azufre, aunque también se emplean ciertos elementos no metálicos como el selenio y el teluro, con una elevada proporción de azufre. En la fase de calentamiento del proceso de vulcanización, el caucho se mezcla con el azufre y con el resto de los aditivos. La proporción azufre-caucho varía entre un 1:40 para el caucho blando hasta un 1:1 en el caucho duro. La vulcanización en frío, que se utiliza para fabricar artículos de caucho blando como guantes y artículos de lencería, se lleva a cabo por exposición al vapor de cloruro de azufre ( ). Los agentes aceleradores eradores de la vulcanizac vulcanización ión que se empleaban empleaban en un principio ncipio eran solamente óxidos metálicos como el blanco de plomo y la cal. Sin embargo, actualmente se utiliza una amplia variedad de aminas orgánicas. El caucho reciclado, calentado con álcali de 12 a 30 horas, puede emplearse como adulterante del caucho crudo para rebajar el precio final del producto. La cantidad de caucho reciclado que se puede utilizar dependerá de la calidad del artículo que se quiera fabricar. Además de la vulcanización, en la mayoría de los casos, el caucho bruto se mezcla con numerosas sustancias que modifican sus características. Existen aditivos que estiran el caucho pero no lo endurecen materialmente, como el carbonato de calcio y la baritina o sulfato de bario. También se pueden añadir otras sustancias que le confieran mayor dureza al producto final, como el carbonato de magnesio y ciertas arcillas. Otros aditivos utilizados son algunos pigmentos como el óxido de zinc, el litopón y muchos tintes orgánicos, además de agentes ablandadores, como ciertos derivados del petróleo (aceites y ceras), la brea de pino o los ácidos grasos, que se usan cuando el caucho es demasiado rígido para mezclarse con otras sustancias. Antes de mezclarlo con otras sustancias, el caucho es sometido a un proceso de trituración, llamado masticación, que lo vuelve suave, pegajoso y plástico. En este estado, el caucho está en mejores condiciones para mezclarse con los aditivos mencionados anteriormente, proceso que ocurre en las máquinas mezcladoras. Luego del mezclado y plastificado, el caucho puede pasar a un proceso de satinación o a uno de extrusión, dependiendo del uso que se le quiera dar. Las máquinas satinadoras se usan para producir láminas de caucho con o sin dibujos, como las estrías en los neumáticos de los automóviles, para comprimir el caucho y darle textura de tejidos o cuerdas, y para revestimiento del caucho con más capas del mismo. Mediante el proceso de extrusión, el caucho se prensa a t ravés de troqueles, formándose tiras aplastadas, tubulares o de una forma determinada. Este proceso se emplea en la fabricación de tuberías, mangueras y productos para sellar puertas y ventanas. Una vez fabricados, la mayoría de los productos del caucho se vulcanizan bajo presión y alta temperatura. Muchos productos se vulcanizan en moldes y se comprimen en prensas hidráulicas, aunque la presión necesaria para una vulcanización eficaz se puede conseguir sometiendo el caucho a la presión externa o interna del vapor durante el calentamiento. En comparación con el caucho vulcanizado, el caucho no tratado tiene muy pocas aplicaciones. Se usa en cementos, cintas aislantes, cintas adhesivas y como aislante en mantas y zapatos. El caucho vulcanizado tiene variadas aplicaciones. Por su resistencia a la abrasión, el caucho blando se utiliza en los dibujos de los neumáticos de los automóviles y en las cintas transportadoras; el caucho duro se emplea para fabricar carcasas de equipos de bombeo y tuberías utilizadas para perforaciones con lodos abrasivos. Por su flexibilidad, se utiliza frecuentemente para fabricar mangueras, neumáticos y rodillos para una amplia variedad de máquinas, desde los rodillos para escurrir la ropa hasta los utilizados en las imprentas. Por su elasticidad, se usa en varios tipos de amortiguadores y mecanismos de las carcasas de ciertas máquinas para reducir las vibraciones. Al ser relativament e impermeable a los gases, se emplea para fabricar mangueras de aire, globos y colchones. Su resistencia al agua y a la mayoría de los productos químicos líquidos se aprovecha para fabricar ropa impermeable, trajes de buceo, tubos de laboratorio y sondas para la administración de medicamentos, revestimientos de tanques de almacenamiento, máquinas procesadoras y vagones aljibes para trenes. Por su resistencia a la electricidad, el caucho blando se utiliza en materiales aislantes, guantes protectores, zapatos y mantas, y el caucho duro se usa para las carcasas de teléfonos, piezas de aparatos de radio, medidores y otros instrumentos eléctricos. El coeficiente de rozamiento del caucho, alto en superficies secas y bajo en superficies húmedas, se aprovecha para correas de transmisión y cojinetes lubricados con agua en bombas para pozos profundos.
a. Espuma de caucho y pr oductos moldeados moldeados La espuma de caucho se elabora directamente a partir del látex con sustancias emulsificantes. La mezcla se bate mecánicamente en una máquina donde se forma una gran espuma que se vierte en moldes y se vulcaniza por calentamiento para fabricar objetos como colchones y
almohadas. El látex puede moldearse para hacer artículos como juguetes o guantes de goma, introduciendo moldes de porcelana o de yeso blanco dentro del látex concent rado. De este modo, la capa de látex se adhiere al molde y se extrae después de la vulcanización. b. Caucho sintético Sustancia elaborada en forma artificial y que posee las mismas propiedades del caucho natural. Se obtiene por reacciones químicas de condensación o polimerización de determinados monómeros de un hidrocarburo insaturado llamado isopreno. Después de su fabricación, el caucho sintético también debe someterse al proceso de vulcanización. c. Tipos de caucho sintético • Neopreno: Este polímero es uno de los primeros cauchos sintéticos desarrollados en un laboratorio (en el año 1931). Se obtiene por polimerización del cloropreno. Las materias primas para sintetizar cloropreno son el etino y el ácido clorhídrico. El neopreno tiene la propiedad de ser altamente resistente al calor y a productos químicos como aceites y petróleo. Se emplea en tuberías de conducción de petróleo y como aislante en cables y maquinaria industriales. • Buna o caucho artificial: En 1935 se logró sintetizar esta serie de cauchos llamados cauchos buna, obtenidos por un proceso de copolimerización, que consiste en la polimerización de dos monómeros denominados comonómeros. La palabra buna se deriva de las letras iniciales de butadieno (uno de los comonómeros), y natrium (sodio), empleado como catalizador. zador. En En la buna N, N, el otro comonómer comonómero o es el propenonitril propenonitrilo ( = CH(CN)), CH(CN)), que se produce a partir del ácido cianhídrico. La buna N es muy útil en aquellos casos donde se requiere resistencia a la acción de aceites y a la abrasión. Industrialmente, el caucho Buna se obtiene por copolimerización de butadieno y estireno (buna S). • Caucho de butilo: Este tipo de caucho sintético, fue producido por primera vez en 1949. Se obtiene por la copolimerización de isobutileno con butadieno o isopreno. Este material es plástico y puede trab ajarse como el caucho natural, pero es difí cil de vulcanizar. Aunque no es tan flexible como el caucho natural y otros productos sintéticos, es muy resistente a la oxidación y a la acción de productos corrosivos. Debido a su baja permeabilidad a los gases, se utiliza en las cámaras interiores de los neumáticos.
d. Otros cauchos especiales Se han desarrollado numerosos tipos de cauchos con propiedades específicas para aplicaciones y usos especiales. coroseal, un Uno de estos cauchos especiales es el coroseal, un polímero ímero de clor cloruro uro de vini vinilo lo ( = CHCl). Estos polímeros son resistentes al calor, la corrosión y la electricidad, y no se deterioran por la acción de la luz ni por un almacenamiento prolongado. El coroseal no se puede vulcanizar, pero mientras no se le someta a altas temperaturas, se muestra más resistente a la abrasión que el caucho natural o el cuero. Otro tipo de caucho especial es el tiocol, tiocol, que se obtiene por copolimerización de dicloruro de etileno etileno (CHCl (CHCl = CHCl) y tetrasulfuro de sodio ( ). Puede trabajarse y vulcanizarse canizarse del mismo modo que el caucho natural y se caracteriza por ser muy resistente a la acción de los aceites y los disolventes orgánicos usados en los barnices. Se emplea para aislamientos eléctricos ya que no se deteriora con la luz ni la electricidad. Muchos otros tipos de caucho sintético se producen con métodos parecidos a los descritos tos anteriormente. anteriormente. La introducción de algunos cambios en los procesos de polimerización, ha mejorado la calidad de los productos y ha abaratado, en gran medida, los costos de producción. Uno de los mayores avances en este campo, ha sido el uso del petróleo como aditivo, que permite la conservación de enormes cantidades de caucho sintético almacenado. Gracias a ello, se ha conseguido fabricar neumáticos de larga duración.
GLOSARIO
Ácido Especie química que libera iones ones hidrógeno (definición de Lowry – Brønsted, que en este respecto coincide con la definición clásica de Arrhenius). Ácido carboxílico Ácido que contiene el grupo funcional carboxilo, -COOH. Ácidos nucleicos Biopolímero con unidades monoméricas formadas por un azúcar, un grupo fosfato y una base orgánica. Alcano Compuesto orgánico de cadena abierta que contiene sólo carbono e hidrógeno y que carece de enlace doble o triple. Alcohol Compuesto orgánico que contiene el grupo hidróxilo, -OH. Aminoácido Molécula con un grupo amino en el carbono adyacente al grupo carboxílico. Alqueno Compuesto orgánico de cadena abierta que contiene sólo carbono e hidrógeno y que tiene uno o más enlaces dobles C=C. Alquimia Actividad desarrollada en la Edad Media. Mezcla de filosofía, misticismo, magia y química. Su objetivo principal fue la transformación de los metales comunes en oro. Alquino Compuesto orgánico de cadena abierta, constituido exclusivamente por carbono e hidrógeno y que contiene uno o más enlaces triples
Anodizado Procedimiento mediante el que se somete un metal o recubrimiento metálico a un proceso de oxidación electroquímica, funcionando dicho metal como ánodo de la celda electroquímica. Átomo Es la partícula más pequeña que posee las propiedades de un elemento. Toda la materia está compuesta de átomos. Azurita
Mineral de cobre de interés industrial, cuya fórmula es
Base Especie química que capta iones hidrógeno
(definición de Lowry – Brønsted).
Calor Es un flujo de energía que se produce entre cuerpos que se hallan a diferente temperatura. (Recordar lo aprendido en física en relación con las formas en que se transfiere calor: conducción, convección y radiación). Cambio de estado Es la interconversión de la materia entre los estados sólido, líquido o gaseoso. Cambio físico Es el cambio de la materia en el que no se modifica la identidad y composición de la sustancia en cuestión. Este cambio es reversible. Por ejemplo: evaporación del agua. Cambio químico Es la transformación en la materia que produce un cambio de la identidad de una o más sustancias, es un cambio irreversible. Por ejemplo: combustiones y oxidaciones. Capa de valencia valencia Nivel de energía de un átomo que determina sus propiedades químicas, en particular la formación de enlaces. Ciencia experimental Estudio cuyos principios y leyes provienen de la experimentación, es demostrable y puede tener aplicación práctica. Compuesto Compuesto covalente Compuesto que contiene sólo enlaces covalentes. Compuesto Compuesto orgánico Compuesto que contiene carbono, por lo común en combinación con hidrógeno, oxígeno o nitrógeno, menos frecuente con fósforo, halógenos o azufre. Configuración electrónica Distribución de los electrones en los diversos niveles energéticos de un átomo, ión o molécula. Datación radioactiva Método usado para determinar la edad de objetos de interés científico, histórico o arqueológico y que se basa en la determinación de la cantidad relativa o concentración de un isótopo inestable, de vida media relativamente larga. Desnaturalización Perturbación estructural de una proteína con pérdida de su función. Dismutación Proceso de oxido-reducción interno, en el que un átomo en un compuesto se oxida en tanto que otro (s) át omo(s) del mismo mismo t ipo se reduce(n). reduce(n). Disolución amortiguadora (disolución Buffer) Solución que contiene un ácido o base débil y una de sus sales, que tiene la propiedad de mantener el pH dentro de un estrecho rango cuando se le adicionan cantidades discretas de ácidos o bases. Efecto estérico Influencia sobre la velocidad relativa de reacción del arreglo espacial de átomos o grupos en el sitio de reacción o próximo a éste que retarda o prácticamente impide la reacción. Electroafinidad Electroafinidad (afinidad (afinidad electrónica) electrónica) Es la energía asociada a la captación de un electrón por la capa de valencia de un átomo. Electrófilo Especie que presenta alguna deficiencia de electrones o que tiene carga positiva y que se enlaza a átomos, particularmente carbono, en especies de alta densidad de carga electrónica o con carga negativa. Electrometalurgia Proceso de obtención, separación o purificación de un metal que ocupa un método electroquímico. Electronegatividad Capacidad de un átomo, en una molécula, para atraer los electrones hacia sí. Elemento químico Es una sustancia constituida por un solo tipo de átomos, que puede formar parte de todas las demás sustancias. Energía de enlace Energía necesaria para romper un enlace. Por lo general se refiere a 1 mol de enlaces y se expresa en
Energía de ionización (potencia de ionización) Energía necesaria para desprender un electrón de un átomo aislado al estado gaseoso y llevarlo al infinito. Corresponde a la energía involucrada en el proceso.
Energía interna Comprende todas las formas de energía de un sistema y se compone de las energías propias de las partículas y de sus interacciones. Energía libre (G) Función de estado termodinámica que permite determinar la dirección en que ocurre un proceso en forma espontánea. espontánea. Se define formalmente mente ΔG = Δ H-TΔS, en la que H es la entalpía del sistema, T su temperatura absoluta (en grados Kelvin) y S, su entropía. Enlace covalente Fuerza que mantiene unidos a dos átomos, cuando comparten uno o más pares de electrones. Enlace iónico Atracción entre átomos con carga opuesta en un compuesto iónico. Se produce cuando un átomo cede uno o más electrones y el otro lo(s) acepta. Enlace metálico Enlace formado por elementos metálicos que es fuertemente deslocalizado. Entalpía (H) Función de estado termodinámica que se define formalmente como H = E + PV, en donde E es la energía interna del sistema, P su presión y V el volumen que éste ocupa. Entorno Es la parte externa de un sistema termodinámico y que junto a éste conforma el universo. Entropía (S) Función de estado termodinámica que se relaciona con el grado de ordenamiento del
sistema. Espectroscopio Aparato que separa en sus componentes de longitud de onda característica la radiación electromagnética emitida o absorbida por un átomo. Espontaneidad Un proceso es termodinámicamente espontáneo cuando ocurre en una determinada dirección, si un sistema es abandonado a su suerte. Todos los procesos que ocurren con una disminución de la llamada energía libre son espontáneos. Estabilidad cinética Se dice que una sustancia o sistema es cinéticamente estable frente a una transformación dada, si ella ocurre con una velocidad muy pequeña. Estabilidad termodinámica Un sistema es t ermodinámicamente námicamente estable frente a un proceso determinado si éste no ocurre en forma espontánea (ΔG >0). Estado de equilibrio Estado de un sistema en el que las variables de estado se mantienen indefinidamente inalteradas mientras no se cambien las condiciones del entorno. Estado o número de oxidación Se define formalmente, para un átomo en un compuesto binario, como el número de electrones que gana o pierde dicho átomo para formar un compuesto. Estequiometría Proporción en que los elementos o compuestos reaccionan entre sí. Estereoquímica Representación de una molécula en el espacio tridimensional, de modo que refleja la real ubicación de sus átomos o grupos atómicos. Ésteres Compuestos orgánicos de fórmula R-COO-R. Estructura de Lewis Lewis Representación de los electrones de la capa de valencia de un átomo mediante puntos. Los enlaces covalentes simples entre dos átomos se representan por un par de puntos o por un trazo, los enlaces dobles por dos pares de puntos o por dos trazos, y así sucesivamente. Evaluaciónsensorial Es el paso de una secuencia destinada a identificar las características de las sustancias que no pueden expresarse por medio de un valor matemático, como lo son el aroma y el sabor. Factores de estabilidad estabilidad nuclear Son los factores de los que depende la estabilidad de un núcleo. Ellos son el cuociente neutrón / protón y la paridad (número par o impar de protones y neutrones). Fisión nuclear Fenómeno de ruptura de un núcleo en fragmentos de menor masa. Función Función de estado Función cuyo valor depende del estado actual de un sistema y no de su historia previa. Las principales funciones de estado son la energía interna, la entalpía, la entropía y la energía libre. Fusión nuclear Fenómeno de unión de dos núcleos o partículas para formar un núcleo de mayor masa. Galvanizado Procedimiento de protección de un metal, predominantemente hierro, frente al daño producido por la oxidación mediante su recubrimiento con una capa de zinc. Gas Estado de la materia en que sus moléculas tienen alta energía cinética. Entre las moléculas de un gas existe poca fuerza de atracción. Gas noble Elemento del grupo 0 (18), He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Los gases nobles se caracte rizan por sus niveles “np” completos (a excepción del He que completa la capa 1s) y son elementos de escasa, pero no nula, reactividad quí mica. Por ello no se deben denominar “gases inertes”. Genoma Estructura genética completa de un organismo. Grupo funcional Conjunto de átomos enlazados de una determinada manera, que caracteriza el comportamient o físico-quí mico de las moléculas que lo contienen . Ejemplos tí picos son los grupos funcionales ácido carboxílico (R-COO H), alcohol (R-OH) y éster (R-COO- R). Hibridación Combinación algebraica de orbitales atómicos de energía similar, para generar un número equivalente ente de orbitales “mezclados” o “hí bridos”. bridos”. Hidratación Fenómeno por el cual un ión o molécula se rodea de moléculas de agua. Para el caso general de cualquier disolvente el proceso se denomina solvatación. Hidrometalurgia Método de obtención, separación o purificación de un metal que utiliza soluciones o suspensiones acuosas. Hipótesis científica Es una posible explicación a un hecho o fenómeno del cual puede haber o no antecedentes previos. previos. Ión dipolar Especie neutra, característica de aminoácidos, que muestra dos polos de carga opuesta. Ión monoatómico Especie eléctricamente cargada que consiste de sólo un átomo. Ión poliatómico Especie eléctricamente cargada consistente de dos o más átomos. Indicador Indicador ácido-base Sustancia que manifiesta un cambio (por lo general de color) a determinado valor de la concentración de iones en la disolución. Irreversibilidad En un sentido no riguroso, alude a la calidad de procesos (irreversibles) en un sistema que ocurren cuando se alteran las condiciones del entorno, en una sola dirección, es decir, no en dirección contraria. Isómeros geométricos Moléculas con idéntico número de átomos y enlaces, pero con diferente distribución espacial.
Isótopo Especie atómica caracterizada por un cierto número de protones y neutrones. Para un mismo elemento se pueden dar varios isótopos, cuyos núcleos difieren sólo en el número de neutrones. Latroquímica Actividad posterior a la alquimia, considerada como el arte de curar sobre la base de extraños vegetales y otros preparados. Ley Es la expresión matemática u oral de un fenómeno en el cual se observa regularidad en su comportamiento. Leyes de Fara day de la electrólisis Leyes descubiertas por Michael Faraday, en 1833, que establecen relaciones cuantitativas entre la cantidad de corriente que ha circulado por una celda electroquímica y la masa de sustancia transformada.La cantidad de sustancia o cambio químico producido por la corriente eléctrica es proporcional a la carga eléctrica que ha circulado por la celda electrolítica. Para una misma cantidad de carga eléctrica que ha circulado por una celda electrolítica, la cantidad de sustancia o cambio químico producido es proporcional al peso equivalente de la sustancia. Éste se define como la masa molar, expresada en gramos, asociada a la captación o cesión de un electrón durante el proceso electroquímico para cada una de las especies en una cantidad igual a un número de Avogadro. (Véase unidad Faraday). Lixiviación bacteriana Proceso utilizado para disolver minerales, principalmente de cobre, uranio y oro, utilizando cultivos de bact erias. Materia Es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Mecanismo de reacción Descripción de una secuencia de eventos que se postula que ocurren a nivel molecular cuando los reactantes se t ransforman ransforman en productos. Mena Material de un yacimiento mineral, disponible en una concentración tal que permite su procesamiento para la obtención del correspondiente metal. Metalurgia Es la ciencia que trata de la obtención de un metal a partir de su mineral, en un estado apropiado de pureza para el empleo al que se le va a destinar. Método cuantitativo Secuencia de pasos destinados a obtener de las sustancias características medibles, por medio de un valor matemático, como, por ejemplo, análisis de masa y densidad. Método del ión electrón Procedimiento de igualación que se aplica primero, independientemente, a las ecuaciones de las semi-reacciones de oxidación y de reducción. En una segunda etapa éstas se relacionan para representar la reacción completa de óxido-reducción (o redox), cuidando que el número de electrones cedidos en la semireacción de oxidación sea igual al número de electrones aceptados en la reducción. Metales Elementos de brillo característico, que conducen bien la corriente eléctrica y el calor. Metaloide Elemento con propiedades intermedias a las de los metales y los no metales. Su conductividad eléctrica aumenta al elevar la temperatura. Mezcla Combinación de sustancias en la que cada una conserva sus características individuales. Modelo Modelo planetario Modelo que describía al átomo como un diminuto sistema solar, en el que los electrones giraban alrededor del núcleo de manera análoga a como lo hacen los planetas alrededor del sol. Este modelo fue superado ya que no corresponde a una realidad física. Molalidad (m) Unidad de concentración de disoluciones que se define como el número de moles de soluto disuelto en 1 kilogramo de disolvente. Molaridad (M) Unidad de concentración definida por el número de moles de soluto o de especies iónicas en 1 litro de disolución. Monómero Compuestos a partir de los cuales se preparan polímeros. No metal Elemento que es mal conductor del calor y de la electricidad. Nucleófilo Especie que presenta un par electrónico no compartido o con carga negativa, que específicamente ataca a un átomo, generalmente de carbono, de una molécula que exhibe baja densidad de carga electrónica o carga positiva. Número Número de Avogadro Es el número de partículas en 1 mol. Número másico Suma del número de protones y neutrones en un átomo específico. Observación Acto de examinar atenta y objetivamente por medio de los sentidos un fenómeno fenómeno u objeto. Orbital Se puede definir como una región del espacio alrededor del núcleo atómico que puede estar ocupada por 1 ó 2 electrones. (Esta no es una definición rigurosa, ya que el orbital es una función matemática o función de onda característica, que es solución de la ecuación de ondas de Schrödinger. Para el caso de un átomo se designan como orbitales atómicos, mientras que en las moléculas se conocen con el nombre de orbitales moleculares). Osmosis Paso de moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable, que se manifiesta por un flujo neto de disolvente desde una disolución diluida o desde el disolvente puro hacia una disolución más concentrada. Osmosis inversa Es el fenómeno inverso al espontáneo de osmosis y se logra aplicando una presión a una solución concentrada de modo que las moléculas de solvente pasen a través de una membrana semipermeable hacia otra disolución más diluida o hacia el disolvente puro. Oxidación Proceso que involucra, formalmente, la cesión de uno o más electrones por parte de un átomo (o un grupo de átomos). Se dice que éste (o éstos) se oxida(n).
Partícula Alfa α Núcleo de helio,
, emitido durante ladesintegración radiactiva. radiactiva.
Partícula Beta β Electrón emitido durante la desintegración radiactiva. Partícula Gama γ Fotón emitido por un núcleo excitado. Más propiamente se habla de radiación, puesto que se trat a de radiación electromagnética electromagnética de alta energía. pH Se define como el valor negativo del exponente de la concentrac ión molar de iones de una disolución, disolución, expresada expresada en base 10. También én se puede expresar como: como: pH = -log [ ]. Pirometalurgia Proceso que utiliza energía térmica (calor) para el procesamiento de metales o sus menas. Plásticos Son todos aquellos polímeros que pueden ser moldeados en alguna de sus fases de su elaboración, mediante la aplicación de fuerzas relativamente débiles y a temperatura moderada. Polaridad de enlace Propiedad permanente de un enlace que se manifiesta por una separación parcial de carga eléctrica determinada por la diferente electronegatividad de los átomos unidos. Polímeros Se denomina así a todas las moléculas de muchos componentes. Se originan por la unión de muchas moléculas más simples, denominadas monómeros, y que son idénticas entre sí. Presión Variable de estado de un sistema termodinámico que se relaciona, en un gas, con el número de choques y cantidad de movimiento. Primer principio de termodinámica Es una reformulación del principio de conservación de la energía y establece que la variación de energía interna de un sistema se calcula conociendo el calor y trabajo intercambiado por el sistema. Principio de Constitución de Bohr Establece que en la construcción de la estructura electrónica de un átomo los electrones ocupan primero los niveles inferiores de menor energía y, sucesivamente, a medida que éstos se van complet ando, los niveles superiores de mayor energía. Se le llama también principio de “Aufbau”. Principio de exclusión de Pauli Los electrones siempre ocupan un orbital con spin opuesto, de modo que éste jamás puede ser ocupado por más de dos electrones. (Ello debido a que el número de spin asociado al electrón tiene sólo dos valores posibles y un tercer electrón tendría, necesariamente, su número de spin igual al de alguno de los otros dos). Principio de máxima multiplicidad de Hund Principio que establece que los electrones en un átomo ocupan varios niveles de idéntica energía de modo tal que su número de spin total, comprendido como la suma de los números de spin de los electrones individuales, es máximo. Proceso Transformación que ocurre en un sistema. Proceso endotérmico Proceso en el que el sistema absorbe calor desde el entorno. Proceso espontáneo Es todo proceso que ocurre con una disminución de su energía libre. Proceso exotérmico Proceso en el cual el sistema libera calor al entorno. Proceso irreversible Es todo proceso que ocurre, en un sistema aislado, en una dirección determinada y que no se puede revertir al someter al sistema a condiciones similares a las que existían antes de ocurrir dicho proceso. Proceso reversible Proceso que ocurre en un sistema aislado y que se puede revertir cuando se le somete a las condiciones iniciales.
Producto iónico del agua Producto de las concent raciones molares de iones y y que tiene un valor constant e, que equivale a dependiendo de la temperat ura. En rigor depende también de la concentración de sales y/o de la presencia de otros solutos como alcohol. Propiedades periódicas Propiedades de los átomos de los elementos químicos que se repiten en forma regular o cíclica cuando se representan vs. su número atómico. Química Ciencia experimental que estudia la materia, en cuanto a su composición, sus características, las transformaciones que pueden experimentar y las leyes que rigen estos cambios. Radioactividad Desintegración espontánea de núcleos atómicos inestables, acompañada de la emisión de radiación ionizante (α, β o γ). Radio atómico En el caso de una molécula diatómica homonuclear, esto es, formada por dos átomos de la misma naturaleza el radio atómico es la mitad de la distancia que separa los núcleos atómicos. Radiolisis Producción de reacciones químicas por exposición a radiación ionizante de un sistema, ya sea éste una sustancia pura gaseosa, líquida o sólida o una disolución. Reducción Proceso que significa, formalmente, la captación de uno o más electrones por parte de un átomo o grupo de átomos. Se dice que éste o éstos se reduce(n). Replicación Proceso de duplicación del ADN. Semirreacción Es un proceso en que imaginariamente transcurre, produciéndose en él, la oxidación o la reducción de un átomo en una reacción redox.
Serie radioactiva natural Secuencia de etapas de desintegración de un isótopo radiactivo natural que produce finalmente finalmente un isótopo estable. Sistema Región del universo separado de éste por un borde o límite, real o imaginario. Sistema abierto Es todo sistema que permite transferencia de masa y energía con el entorno. Sistema aislado Se denomina así a todo sistema que no intercambia materia ni energía con el alrededor. Sistema cerrado Un sistema cerrado sólo intercambia energía con el alrededor. Sistema no reactivo Sistema que respecto de un proceso determinado no sufre transformación química. Sitio activo Zona funcional de una enzima. Sustitución nucleofílica Reacción iniciada por un nucleófilo en la que éste reacciona con un sustrato o reactante reemplazando un átomo que es expulsado como anión. Temperatura Es una variable de estado que, según el modelo cinético-molecular, es una medida de la energía cinética o grado de agitación de las moléculas. Teoría Conjunto de leyes científicas que explican un determinado fenómeno. Teoría cuántica Teoría desarrollada por varios físicos a partir de 1900, año en que Max Planck enuncia su revolucionaria teoría de los cuantos, que explica exitosamente la distribución de energía en una cavidad (cuerpo negro), problema que no tiene una disolución si se intenta explicar a través de la física clásica o newtoniana. Termodinámica Es el estudio de los sistemas en relación a la factibilidad de los procesos que ocurren en ellos y a los intercambios de energía que en una transformación, cualquiera sea su naturaleza, tiene lugar entre el sistema y su entorno. Titulación Adición controlada de una disolución de concentración exactamente conocida (o estandarizada) a una disolución de concentración desconocida, con el objeto de determinar el contenido o la concentración de una especie que reacciona con otra de la primera. Unidad Faraday (electrólisis) Se designa así a la cantidad de carga eléctrica equivalente a 96.485,34 Coulomb que corresponde a 1 mol o número de Avogadro de electrones. Variables de estado Conjunto de magnitudes que definen completamente el estado o condición termodinámica en que se encuentra un sistema. A partir de ellas es posible determinar cualquier propiedad (función de estado) del sistema. Variables experimentales experimentales Son los factores que tienen relación con el fenómeno en estudio. Para que éste sea claro y sencillo se fijan una serie de magnitudes (variables controladas) y se estudia la forma en que varía una magnitud (variable dependiente) cuando se produce una variación de otra magnitud (variable independiente). Vida media Tiempo característico para un isótopo determinado que tarda en ocurrir la desintegración de la mitad de sus átomos. Se aplica en general a cualquier proceso cinético. Vidrio Producto transparente, rígido, que carece de una estructura ordenada interna como la de un cristal. Vulcanización Proceso mediante el cual se trata la goma natural con azufre para mejorar sus propiedades.
BIBLIOGRAFÍA
• “Curso de Química General”, Santa María, Francisco; tomo I y II, Ed. Universitaria, 1984. Química”, Ricardo Feltre; vo lumen único, Editora Moderna, 3ª • “Fundamentos de Química”, edición, 2002. • “La Química”, Gebauer, Claudio; Ed. Universitaria, 1984. Química”, Summers, Donal B.; Grupo Editorial Iberoamérica, 1983 (1975). • “Manual de Química”, Universitario”, Maham, Bruce H., Fondo Educativo Interamericano, • “Química Curso Universitario”, 1977. General”,, Garzóhn G., Gillermo; Ed. McGraw -Hill, 1991. • “Fundamentos de Química General” General”, Balocchi C.,Emilio, et al; tomo I y II, Departamento de • “Apuntes de Química General”, Química, Edición USACH, 1993, 1994. • “Apuntes de Q uímica I y II” , Sánchez Tapia, Carlos y Fuster A., Ma Angélica; 2 Ed. Salesiana, 1989, (1985). • “Química Básica”, Básica”, Melo Araya, Mario; tomo I: Estequiomet ría, Ed. Universitaria, 1987.
Las figuras que se presentan en este texto han sido extraídas de los siguientes libros: Media”, Eugenia Águila Garay, José Tomás López • “Ciencias Químicas Educación Media”, Vivar, Leonor Marambio Marambio Montero; Tomo I, Editorial Santillana. Media”, Eugenia Águila Garay, José Tomás López • “Ciencias Químicas Educación Media”, Vivar, Leonor Marambio Marambio Montero; Tomo II, Editorial Santillana. • “Ciencias Químicas Educación Media”, Media”, José Tomás López Vivar, Manuel Martínez
Martínez, Javier E. Jorquera, Mónica Muñoz Cor.
Índice CAPÍTULO 1: TEORÍA AT ÓMICA 1. Historia de la química 1.1 Teoría atómica 1.1.1 Teoría atómica de Dalton 1.1.2 Modelo atómico de Thomson 1.1.3 Modelo atómico de Rutherford 1.1.4 Modelo atómico de Bohr 1.1.5 Modelo mecánico cuántico 2. Términos en teoría atómica 2.1 Número atómico (Z) 2.2 Número másico (A) 2.3 Número de neutrones (n°) 2.4 Elemento químico 2.5 Unidad másica atómica (UMA) 2.6 Carga eléctrica 2.7 Carga nuclear 3. Tipos de átomos 3.1 Isótopos 3.2 Isóbaros 3.3 Isótonos 4. Números cuánticos 4.1 Número cuántico principal (n) 4.2 Número cuántico secundario () 4.3 Número cuántico magnético (m) 4.4 Número cuántico de spin (s) 5. Configuración electrónica 5.1 Realiza ción de una configuración electrónica 5.2 Formación de iones 6. Propiedades periódicas 6.1 Radio atómico 6.2 Volumen atómico 6.3 Potencial de ionización 6.4 Electroafinidad 6.5 Electronegatividad 7. Propiedades macroscópicas de la materia 7.1 Punto de ebullición 7.2 Punto de fusión 8. Tabla periódica de elementos 8.1 Períodos 8.2 Grupos 9. Enlace químico 9.1 Determinación de electrones de valencia 9.2 Tipos de enlace 9.2.1 Enlace iónico 9.2.2 Enlace covalente 9.2.3 Enlace metálico 9.3 Geometría molecular CAPÍTULO 2: NOMENCLATURA INORGÁNICA 1. Nomenclatura inorgánica 1.1 Estado de oxidación (EDO) 1.1.1 Estados de oxidación positivos 1.1.2 Estados de oxidación negativos 2. Determinación de los estados de oxidación en compuestos 2.1 Iones positivos o cationes 2.2 Iones negativos o aniones 3. Compuesto s binarios 3.1 Compuestos oxigenados 3.1.1 Óxido básico 3.1.2 Anhí dridos u óxidos ácidos 3.1.3 Peróxidos 3.2 Compuestos hidrogenados 3.2.1 Hidruros 3.2.2 Hidrácidos 3.3 Sales binarias 4. Compuestos ternarios 4.1 Hidróxidos 4.2 Oxácidos 4.3 Sales ternarias 5. Mineralogía 5.1 Rocas 5.2 Mineral 5.2.1 Propiedades de los minerales 5.3 Clasificación de los minerales 5.3.1 Elementos nativos 5.3.2 Sulfuros 5.3.3 Halogenuros 5.3.4 Óxidos 5.3.5 Carbonatos 5.3.6 Nitratos, fosfat os y sulfatos 5.3.7 Silicatos CAPÍTULO 3: ESTEQUIOMETRÍA 1. Estequiometría 1.1 Ley de la conservación de la masa (ley de Lavoisier) 1.2 Ley de proporciones definidas (ley de Proust) 1.3 Ley de las proporciones múltiples (ley de Dalton) 1.4 Ley de las proporciones recíprocas (ley de Richter) 2. Términos de estequiometría 2.1 Unidad de masa atómica (uma) 2.2 Mol (n) 2.3 Constante de Avogadro 2.4 Masa molar (MM) 2.5 Relación entre masa molar y la constante de Avogadro 3. Ecuaciones químicas 4. Relaciones estequ iométricas 5. Composición porcentual 6. Reactivo límite 7. Leyes fundamentales de los gases 7.1 V ariables de los gases 7.1.1 Temperatura 7.1.2 Presión 7.1.3 Volumen 7.2 Ley de los gases 7.2.1 Ley de Avogadro 7.2.2 Ley de Boyle y Mariotte 7.2.3 Ley de Charles 7.2.4 Ley de Gay - Lussâc 7.2.5 Ley combinada de los gases 7.2.6 Ecuación de gases ideales CAPÍTULO 4: DISOLUCIONES 1. Disoluciones 1.1. Características de las disoluciones 1.1.1 Clasificación de las disoluciones según la polaridad del disolvente 1.1.2 Clasificación de las disoluciones según el número de componentes 1.1.3 Clasificación de las disoluciones según la fase en la que se encuentra el disolvente 1.2. Suspensiones 1.3. Coloides 2. Expresiones en disoluciones 2.1 Porcentaje masa masa (% m/m) 2.2 Porcent aje masa volumen (% m/v) 2.3 Porcent aje volumen volumen (% v/v) 2.4 Molaridad (M) 2.5 Molalidad (m) 2.6 Part es por millón ón (ppm) 2.7 Fracción molar (Xn) 3. Relaciones entre las expresiones que informan sobre una disolución 3.1 Molaridad en función de porcent aje masa masa 3.2 Molalidad en función de porcentaje masa masa 3.3 Porcent aje masa volumen en función de porcentaje masa masa 4. Mez clas y diluciones ones 4.1 Mezclas 4.2 Dilución de una disolución 5. Solubilidad 6. Factores de solubilidad 6.1 Temperatura 6.2 Naturaleza química 6.3 Presión 7. Características de las disoluciones en solubilidad 7.1 Disolución total 7.2 Disolución parcial 7.3 Disolución no total 7.4 Reglas de solubilidad 8. Propiedades coligativas 8.1 Presión de vapor (tonoscopía) 8.2 Punto de ebullición (ebulloscopía) 8.3 Punto de congelación (crioscopía) 8.4 Presión osmótica (osmometría) CAPÍTULO 5: QUÍMICA AMBIENTAL 1. Flujo de materia y energía en el ecosistema 1.1 Ciclos de los nutrientes
1.1.1 Ciclo del agua 1.1.2 Ciclo del carbono 1.1.3 Ciclo del nitrógeno 1.1.4 Ciclo del fósforo 2. Contaminación ambiental 2.1 Aire 2.1.1 Componentes del aire 2.1.2 Contaminantes del aire 2.1.3 Contaminación del aire 3. Agua 3.1 Estructura molecular del agua 3.2 Propiedades del agua 3.2.1 Densidad 3.2.2 Tensión superficial 3.2.3 Calor específico 3.3 Tipos de contaminación 3.3.1 Aguas duras 3.3.2 Eutrofización 3.4 Potabilización del agua 4. Suelo 4.1 Componentes del suelo 4.2 Estructura y tipos de suelo 4.3 Degradación de suelos 4.3.1 Erosión eólica 4.3.2 Erosión marina 4.3.3 Erosión pluvial y fluvial 4.3.4 Erosión glacial 4.3.5 Erosión antrópica 4.4 Conservación de suelos 4.4.1 Cultivos en terrazas 4.4.2 Franjeado 4.4.3 Cultivo en contorno 4.4.4 Rotación de cultivos 4.4.5 Agrosilvicultura 4.4.6 Reforestación CAPÍTULO 6: PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES 1. La industria química 2. Procesos industriales químicos involucrados en el desarrollo económico 2.1 Fabricación de vidrio 2.2 Fabricación del papel 2.2.1 Reciclaje del papel 2.3 Metalurgia del cobre 2.3.1 Propiedades y aleaciones del cobre 2.3.2 Proceso de producción del cobre 2.4 Salitre 2.5 Carbonato de litio 3. Conservación de los recursos energéticos de la tierra CAPÍTULO 7: QUÍMICA ORGÁNICA 1. Fuent es naturales de obtención del carbono 1.1 Carbono elemental 1.2 Petróleo 1.2.1 Refinación del petróleo 1.3 Gas natural 1.4 Product os vegetales y animales 2. Propiedades químicas del carbono 3. Compuestos inorgánicos del carbono 4. Compuestos orgánicos del carbono 4.1 Los hidrocarburos 4.1.1 Hidrocarburos alifáticos 4.1.2 Nomenclat ura de algunos hidrocarburos drocarburos alifáticos 4.1.3 Propiedades y usos de los hidrocarburos alifáticos 4.2 Hidrocarburos alicíclicos 4.3 Hidrocarburos aromáticos 4.3.1 Benceno 4.3.2 Usos y caracterí sticas de los compuesto s aromáticos 5. Serie homóloga 6. Isomería 6.1 Isomería estruct ural 6.2 Estereoisomería 7. Funciones orgánicas 8. Macromoléculas 8.1 Hidratos de carbono (azúcares) 8.2 Lípidos 8.3 Proteínas 8.4 Ácidos nucleicos 9. Uso actual de los compuestos orgánicos 10. Producción de bebidas alcohólicas CAPÍTULO 8: ÁCIDO BASE 1. Conceptos y características de ácidos y bases 2. Características químicas de ácidos y bases 2.1. Ácidos 2.2. Bases 3. Medida de la acidez y basicidad 3.1 Relación entre pH y pOH 3.2 Indicadores 3.3 Disoluciones buffer 3.4 Neutralización CAPÍTULO 9: MATERIALES DE USO COTIDIANO 1. Materiales 1.1 Cerámicos 1.2 Plásticos 1.3 Caucho GLOSARIO BIBLIOGRAFÍA
