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ÍNDICE DE CONTENIDO TEMA 1. ESTRUCTURA DE LA MATERIA...................................................................5 La teoría atómica de Dalton..................................................................................5 La estructura del átomo........................................................................................ átomo........................................................................................ 7 Modelo atómico de Bohr. estructura estructura electrónica.................................................... ..10 La tabla periódica...............................................................................................11 Las agrupaciones de átomos................................................................................12 La masa molecular.............................................................................................1 La cantidad de partículas. !l mol...................................................................... mol...................................................................... ....1 !l enlace "uímico...............................................................................................15 !#ercicios..........................................................................................................17 TEMA 2. FORMULACIÓN QUÍMICA......................................................................... QUÍMICA......................................................................... 21 $oncepto de n% de o&idación...............................................................................21 $ombinaciones binarias......................................................................................22 !#ercicios..........................................................................................................25 TEMA 3. MEZCLAS Y DISOLUCIONES.....................................................................29 Disoluciones......................................................................................................'0 La solubilidad de las sustancias............................................................................'1 (ormas de e&presar la concentración....................................................................'1 !#ercicios..........................................................................................................' TEMA 4. REACCIONES QUÍMICAS.......................................................................... QUÍMICAS.......................................................................... 37 (enómenos )ísicos )ísicos * )enómenos "uímicos........................................................ "uímicos........................................................ ......'7 ...... '7 Las reacciones "uímicas...................................................................................... "uímicas...................................................................................... '7 Le* de conser+ación de la masa...........................................................................', Las reacciones "uímicas * la teoría atómica.......................................................... atómica.......................................................... .'$álculos a partir de las ecuaciones "uímicas..........................................................0 $lases de reacciones..........................................................................................1 !nergía de las reacciones "uímicas....................................................................... "uímicas....................................................................... 2 eacciones ácido base........................................................................................5 !#ercicios .........................................................................................................7 TEMA 5. QUÍMICA ORGÁNICA...............................................................................51 !l origen de la "uímica orgánica........................................................................... orgánica........................................................................... 51 !l átomo de carbono...........................................................................................52 hidrocarburos....................................................................................................5' $ompuestos orgánicos orgánicos con grupos )uncionales..................................................... ..57 !#ercicios........................................................................................................../0 TEMA 6. ESTUDIO DEL MOIMIENTO....................................................................61 La +elocidad media............................................................................................./1 !l mo+imiento uni)orme....................................................................................../2 La aceleración media........................................................................................../' Mo+imiento uni)ormemente uni)ormemente acelerado................................................................... / !l mo+imiento uni)ormemente retardado............................................................... retardado............................................................... /5 !#ercicios..........................................................................................................// TEMA 7. DINÁMICA...............................................................................................73 La le* de la inercia.............................................................................................7' Le* de proporcionalidad entre )ueras * aceleraciones.............................................7 elación entre la )uera * el mo+imiento...............................................................7 La tercera le* de la dinámica...............................................................................75 Medida de )ueras..............................................................................................75 uma de )ueras ...............................................................................................75 !#ercicios..........................................................................................................77 TEMA !. INTERACCIÓN GRAITATORIA................................................................!1 Mo+imiento de caída libre....................................................................................,1 !l peso de los cuerpos........................................................................................,2 La posición de la tierra en el uni+erso...................................................................,' !l modelo geocntrico........................................................................................., !l modelo heliocntrico......................................................................................., La le* de la 3ra+itación 4ni+ersal........................................................................ 4ni+ersal........................................................................ .,5 La aceleración de la gra+edad............................................................................. gra+edad............................................................................. .,/ !#ercicios..........................................................................................................,, Física y Química 4º ESO
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TEMA 9. FENÓMENOS EN FLUIDOS........................................................................91 Medida de +olmenes.........................................................................................-1 !l principio de 6r"uímedes..................................................................................-' La presión.........................................................................................................-5 !l e&perimento de orricelli.................................................................................-/ La atmós)era.....................................................................................................-7 La presión hidrostática........................................................................................ -, 8rincipio de 8ascal..............................................................................................-!#ercicios........................................................................................................102 TEMA 1". TRA#A$O Y ENERGÍA...........................................................................1"7 (ormas de la energía........................................................................................107 !nergía mecánica.............................................................................................10, 8rocesos de trans)erencias de energía. traba#o mecánico....................................... 110 8otencia mecánica............................................................................................ 112 !#ercicios........................................................................................................11' TEMA 11. CALOR Y TEM%ERATURA......................................................................115 La temperatura................................................................................................115 elación entre calor trans)erido * +ariación de temperatura...................................11/ !"uilibrio trmico.............................................................................................117 La relación entre energía trmica * temperatura...................................................11, $alor * cambios de estado.................................................................................11Má"uinas trmicas............................................................................................120 !l principio de conser+ación de la energía......................................................... ...121 !#ercicios........................................................................................................122 TEMA 12. FENÓMENOS ONDULATORIOS..............................................................125 Magnitudes características de las ondas..............................................................125 e)le&ión * re)racción de ondas....................................................................... ...12/ 9ndas sonoras.................................................................................................127 La lu.............................................................................................................1'1 !l o#o humano.................................................................................................1'2 !#ercicios........................................................................................................1'5
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T&'( 1. E)*+,-*,+( & /( '(*&+0(. LA TEORÍA ATÓMICA DE DALTON. 6 principios del . :;:< un cientí)ico ingls llamado =ohn Dalton propuso una teoría "ue permitió e&plicar las le*es obser+adas en los cambios "uímicos. La teoría no tu+o un &ito inmediato sino "ue< por el contrario< debió transcurrir prácticamente todo el siglo :;: para "ue )uese admitida por la ma*oría de los cientí)icos. Las ideas )undamentales de esta teoría son> •
L( '(*&+0( &)* +'(( + ,() (+*-,/() ', &8,&() 8,& +&-0:& &/ ':+& & *').
•
E;0)*& 0&+&*&) -/()&) & *').
•
T) /) *') & ,( '0)'( -/()& *0&& ),) +0&(&) 0<,(/&).
La teoría atómica establece una correlación entre sustancias elementales * clases de átomos. De )orma "ue a cada sustancia elemental le corresponde un clase de átomos. 8or e#emplo a la sustancia elemental o&ígeno le corresponde una clase e&clusi+a de átomos< "ue llamaremos átomos de o&ígeno< lo mismo ocurre con la sustancia hierro< o con la sustancia plomo. !n la tabla periódica se muestran todas las sustancias elementales conocidas * por lo tanto las posibles clases de átomos. 6 cada una de las clases de átomos se les llamará a partir de ahora elementos "uímicos. 8ara representar
los elementos "uímicos
Dalton utilió di+ersos símbolos iconográ)icos< pero posteriormente un "uímico llamado Berelius sugirió una nue+a representación "ue es la "ue se utilia actualmente. e representa a los elementos mediante un símbolo "ue utilia solo las iniciales de los nombres de los elementos. !ste símbolo consistiría en la inicial del nombre latino del elemento. i dos elementos poseían la misma inicial< podía a?adirse una de las letras siguientes del nombre. TAMA=O
DE LOS ÁTOMOS
Los átomos podemos imaginarlos como es)eras cu*o tama?o +aría de un elemento a otro. us diámetros son mu* pe"ue?os * para e&presar su +alor se utilia un submltiplo del metro llamado picómetro 1 pm =10 -12 m . !l átomo de hidrógeno< el más pe"ue?o< tiene un diámetro del orden de 100 pm * los átomos de ma*or +olumen< como el cesio< llegan a tener un diámetro de unos 50 pm. (í#ate en la pe"ue?e de este submltiplo> @ Aace )alta di+idir un Física y Química 4º ESO
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metro en 1012 partes un billón de partes< para obtener la longitud de un picómetroC i colocamos átomos de hidrógeno uno al lado del otro cuántos cabrían en un metroE @4nos die mil millones de átomosC !ste nmero< es ma*or "ue el nmero de habitantes de la ierra. MASA DE LOS ÁTOMOS. Las masas de los átomos son e&tremadamente pe"ue?as. 6sí< la masa de un átomo de hidrógeno< el más ligero de todos< es de 1,7·10-28 kg * la masa de un átomo de plomo es tan sólo de 3,53·10 -26 kg . 6l seleccionar una unidad< con+iene elegirla de acuerdo con la cantidad "ue se desea medir. 6sí< la masa de una persona la e&presamos en FgG en el laboratorio< al realiar una e&periencia< pesamos en la balana unos gramos o uno miligramos de sustancia. $omo un átomo es mu* pe"ue?o< para medir su masa necesitamos una unidad mucho menor "ue el Fg< el g< e incluso el mg. Dónde encontrar una unidad tan pe"ue?aE ólo la podemos encontrar en el propio mundo del átomo. 8or ello< para medir las masas de los átomos se utilia como unidad< la unidad de masa atómica < abre+iadamente u. e de)ine la unidad de masa atómica HuI como la docea+a parte de la masa de un átomo de carbono12. e llama '()( (*>'0-( +&/(*0?( & , 0)>*< o masa isotópica< al cociente entre la masa de un átomo de un isótopo determinado * la docea+a parte de la masa de un átomo de carbono 12. 6sí< la masa isotópica del carbono1' es 1'<00'. !sto signi)ica "ue un átomo de carbono 1' tiene una masa 1'<00' +eces ma*or "ue la docea+a parte de la masa del átomo de carbono 12. !s lo mismo "ue decir "ue sus masa atómicas relati+as son 1'<00' * 12. La ma*oría de los elementos son meclas de isótopos todos con masas distintas *< como en "uímica lo "ue realmente se mane#an son los elementos * no los isótopos por separado< interesa de)inir una masa atómica relati+a "ue tenga en cuenta esta circunstancia. e de)ine la '()( (*>'0-( +&/(*0?( & , &/&'&*< o masa atómica< como el cociente entre la masa promedio de un átomo del elemento * la docea+a parte de la masa de un átomo de carbono 12. !ste es el dato "ue se muestra habitualmente en la tabla periódica. CONTANDO LOS ÁTOMOS. !n una masa "ue nosotros consideramos pe"ue?a e&iste una cantidad de átomos enorme< esto lle+a a introducir una nue+a unidad para medir la cantidad de átomos< esta unidad se denomina mol< "ue se de)ine como una cantidad igual a 6,022·1023 á!m!s .
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1 mol de átomos 6,022·10
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átomos
Las cantidades de átomos se indican en moles. 6sí se e&presa una cantidad como 2 moles de átomos de o&ígeno en +e de 1,244·10 24 á!m!s . 8ara contar la cantidad de átomos de una muestra no es posible contarlos uno a uno< su cantidad es demasiado grande< pero se puede realiar de )orma indirecta )ácilmente< simplemente pesando la muestra si conocemos cuantos átomos ha* en una masa determinada. 8ues bien esto es conocido< la masa de un mol de átomos de un elemento es igual al +alor de la masa atómica e&presada en gramos. 8or e#emplo si miramos la tabla periódica para el elemento o&ígeno se muestra una masa atómica de 1/< eso se "uiere decir "ue> 1 átomo tiene una masa de 1/ u. 1 mol de átomos tiene una masa de 1/ g. Lo mismo podríamos hacer para cual"uiera de los elementos. 6hora *a podemos calcular la cantidad de átomos presentes en una muestra de un elemento "uímico< para lo cual bastará di+idir la masa de la muestra entre el +alor de la masa atómica del elemento. "#m$%! &$ m!'$s = masa $( g%am!s masa a)mica
(= m * ̄
E$ERCICIO RESUELTO. $alcular el nmero de moles presentes en una masa de 5 gramos de magnesio. Masa atómica de Mg 2<' (= m = 45 = 1,85 m!'$s &$ *g * 24,3
̄
LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO. Dalton consideró a los átomos como las partículas más simples "ue e&istían< de hecho la palabra átomo signi)icaba en griego indi+isible. 8ero a+anado el siglo :;: surgieron obser+aciones * e&perimentos "ue apuntaban "ue esta era una idea incorrecta< "ue el átomo tenía una estructura interna. 6l )inal del siglo :;: * en las primeras dcadas del siglo :: hubo un rápido progreso en el conocimiento de la estructura * comportamiento de los átomos. !l resultado )ue la elaboración sucesi+a de +arios modelos atómicos "ue e&plicaban de )orma cada +e más precisa la estructura * el comportamiento de los átomos. Dos de los modelos los trataremos a continuación el conocido como modelo de uther)ord * el modelo de Bohr. $ada
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uno signi)icó un gran a+ance en el momento en "ue )ueron propuestos pero ho* en día han sido superados por el modelo cuántico. MODELO DE RUT@ERFORD. !n 1-11 a uther)ord< #unto con sus discípulos Aans 3eiger H1,,21-5I * 3regor Marsden H1,-01-5/I< se le ocurrió la idea de Jbombardear átomosK para intentar a+eriguar "u había en su interior< intentar JdesmenuarlosK. omaron como blanco laminas de oro de un espesor de unas cuantas diemilsimas de centímetro Hho* sabemos "ue contenía un espesor de 2.000 átomosI. Detrás de la lámina de oro se colocaba una pantalla )luorescente para poder detectar los impactos de las partículas positi+as o de otro tipo "ue pasaran. La e&periencia ha pasado a la historia de la ciencia como el &;&+0'&* & R,*&++ * sus resultados lle+aron a proponer un modelo del átomo. Las ideas )undamentales del modelo son> L)
*')
&)*
-)*0*,0)
+
(+*-,/()
),:(*>'0-()B /) +*&)B &,*+&) &/&-*+&). L) *') &)* &)* -)*0*,0) + , -/&B 8,& -,( /( (+*& -&*+(/ &/ *'B ,( -+*&(. E/ -/& &)* +'( + ) -/()&) & (+*-,/() /) +*&) /) &,*+&). L() (+*-,/() 8,& +'( /( -+*&( ) /) &/&-*+&). L) 0)*0*) &/&'&*) 8,'0-) )& 0&+&-0( &*+& ) + &/ '&+ & +*&) 8,& )&& & &/ -/&. Aa* "ue indicar "ue en realidad el modelo propuesto originalmente por uther)ord no se basaba en estas ideas e&actamente pues la e&istencia del neutrón no )ue constatada hasta mucho despus. %RO%IEDADES DE LAS %ARTÍCULAS SU#ATÓMICAS Los protones> ienen carga elctrica positi+a. La carga del protón es de 1,6·10-1+ . !sta carga se llama carga elemental por ser la más pe"ue?a conocida. La masa de un protón es de 1,67 ·10-27 kg .
Los neutrones no tienen carga elctrica. u masa es< apro&imadamente< igual a la del protón. Los electrones tienen una carga elctrica igual "ue la del protón< pero de signo contrario< poseen carga elctrica negati+a. u masa es1 ,0 +eces más pe"ue?a "ue la del protón. Física y Química 4º ESO
+
8uesto "ue un átomo es elctricamente neutro< es decir< no tiene e&ceso de cargas positi+as ni negati+as< el nmero de protones del ncleo es igual al nmero de electrones de la en+oltura. !l ncleo atómico ocupa una mínima )racción del +olumen total del átomo. 4n átomo está tremendamente +acío> la ma*or parte de su +olumen carece de materia< como los electrones tienen una masa despreciable< comparada con la del protón o neutrón< casi la totalidad de la masa del átomo reside en el ncleo< el cual posee una gran densidad. NMERO ATÓMICO Y NMERO MÁSICO. Los ncleos de átomos distintos se caracterian por su nmero atómico * su nmero másico de)inindose ambos como> N'&+ (*>'0- N'&+ & +*&) 8,& *0&& , *' & ), -/&B )& +&+&)&*( + Z N'&+ ')0- S,'( & +*&) ') &,*+&) & , *'B )& +&+&)&*( + A con una relación entre ambos A N Z A número másico ; N número de neutrones ; Z número de protones
E/ '&+ (*>'0- )& -++&/(-0( - /( -/()& & &/&'&* 8,'0- < *) /)
*') &+*&&-0&*&) ( , '0)' &/&'&* 8,'0- *0&& &/ '0)' '&+ & +*&)B así el nmero atómico caracteria a un elemento "uímico. odos los átomos de o&ígeno tienen , protones su nmero atómico , odos los átomos de plomo tienen ,2 protones su nmero atómico ,2 6hora puede ocurrir "ue dos átomos pertenecientes al mismo elemento "uímico< "ue poseen el mismo nmero de protones< di)ieran en su nmero de neutrones< es lo "ue se denominan isótopos. I)>*) ) *') 8,& )&& &/ '0)' '&+ & +*&) &+ 00&+& & &/ '&+ & &,*+&). 8or e#emplo e&isten átomos de carbono con seis protones * seis neutrones * otros con seis
protones * ocho neutrones. Desde el punto de +ista "uímico dos isótopos del mismo elemento se comportan igual< no ocurre lo mismo en su comportamiento )ísico< por e#emplo uno puede Física y Química 4º ESO
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ser radiacti+o * otro no. 8ara representar una clase de átomo determinado se utilia una notación compacta de la )orma "ue se muestra en la )igura. 8or e#emplo +eamos algunos casos Átomo 12 6
Nº protones 6 p%!!($s
Nº neutrones 6 ($u%!($s
Nº electrones 6 $'$c%!($s
14 6
6 p%!!($s
8 ($u%!($s
6 $'$c%!($s
11 p%!!($s
12 ($u%!($s
11 $'$c%!($
23 11
"a
MODELO ATÓMICO DE #O@R. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA. ras uther)ord el siguiente paso en la me#ora en la compresión de los átomos se produce con Niels Bohr "ue propone un nue+o modelo en el cual se contempla "ue los electrones "ue +&( (/ -/& / (-& & +'( &)+&(( )0 8,& )& +<(0( & 0?&/&) - /( (+*0-,/(+0( & 8,& &/ '&+ 8,& -(:& & -(( ,( & &//) &) /0'0*(. Los electrones +an llenando los ni+eles sucesi+amente dando lugar a lo "ue se conoce como estructura electrónica del átomo. Los ni+eles se indican por el nombre de su capa * su subcapa. Los ni+eles correspondientes * el nmero má&imo de electrones "ue pueden contener correspondientes a los elementos "uímicos con nmero atómico hasta 1, se indican en la tabla $apa 1 $apa 2 $apa '
ubcapa s ubcapa s ubcapa p ubcapa s ubcapa p
1s 2s 2p 's 'p
$aben 2 electrones $aben 2 electrones $aben / electrones $aben 2 electrones $aben / electrones
Las capas * subcapas se llenan en orden de energía creciente "ue +iene dado por
1s 2s 2p 3s 3p !n el dibu#o se muestran los primeros 1, elementos "uímicos * como se distribu*en los electrones en las distintas capas * subcapas. 8ara saber el '&+ & &/&-*+&) & , *' ( 8,& *&&+ & -,&*( 8,& & &)*( &,*+ ), '&+ &) 0<,(/ (/ & +*&) &:& -0-00+ - &/ '&+ (*>'0- &/ *'. La raón es "ue la carga elctrica total del átomo en estado neutro debe ser nula * se compensan las cargas positi+as H"ue posee los protonesI con las cargas negati+as H"ue poseen los electronesI. 8ara representar la distribución de los electrones se emplea una notación en la "ue se indican Física y Química 4º ESO
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sucesi+amente las capas * subcla+ios "ue se +an llenando en orden creciente de energías indoicando con un superíndice el nmero de electrones "ue ha* en cada una. 8or e#emplo en el caso de un átomo de o&ígeno ha* un total de ocho electrones 2 en una subcapa 1s< dos en una subcapa 2s * cuatro en una subcapa 2p< la notación para reprensetar la con)iguración electrónica sería 1s 2 2s 2 2p4
LA TA#LA %ERIÓDICA. Los elementos "uímicos se pueden clasi)icar obtenindose como resultado la conocida como tabla periódica en ella se colocan todos los elementos conocidos organiados en nmeros atómicos crecientes de )orma "ue elementos con comportamiento similar se encuentren colocados en la misma columna. !n la tabla periódica se habla de períodos * grupos. %ERÍODOS Los elementos están alineados en )ilas horiontales llamadas períodos * numeradas de la 1 a la 7. $uando se ordenan de esta manera< se obser+a "ue< al llegar a un determinado elemento< si el siguiente lo ponemos deba#o del primero< los dos elementos de la misma columna tienen propiedades seme#antes. GRUPOS O FAMILIAS
!n cada columna se encuentran< pues< los elementos "ue presentan ciertas similitudes * )orman los llamados grupos o )amilias. !n la tabla periódica los grupos o )amilias +an numeradas del 1 al 1,. 1
) 3 5 0 / ( / A
2
) 3 & + + * 3 5 0 / ( / A
3
4
5
6
7
!
9
1"
M&*(/&) & *+()0-0>
11
12
13
14
) 3 & + + & T
) 3 & . 0 3 5 3 : + ( C
15
16
) 3 & . 0 3 5 & < 3 + * 0
) 3 5 & < 6 2 5 A
17
1!
) 3 5 & < > / ( @
) & / : 3 5 ) & ) ( G
N
L(*0) A-*0)
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C(( , & /) <+,) ('0/0() &) --0 - , ':+& &*&+'0( Los elementos del grupo l HLi< Na< O< b< $s< (rI son los metales alcalinos. !l grupo 2 está constituido por los llamados metales alcalinotrreos HMg< $a< r< Ba< aI. !l grupo 1' es la )amilia de los trreos HB< 6l< 3a< ;n< lI. !l grupo 1 es la )amilia de los carbonoideos H$< i< 3e< n * 8bI !l grupo 15 es la )amilia de los nitrogenoideos HN< 8< 6s< b< BiI. !l grupo 1/ es llamado )amilia de los an)ígenos H9< < e< e< 8oI. !l grupo 17 está constituido por los elementos llamados halógenos H(< $l< Br< ;< 6tI. !l ltimo grupo< el nmero 1,< lo )orman los gases nobles< llamados así por"ue di)ícilmente reaccionan con otros elementos. on gases monoatómicos.
LAS AGRU%ACIONES DE ÁTOMOS. Los átomos se unen entre sí para )ormar estructuras más comple#as< /() '/-,/() /) -+0)*(/&). Las uniones entre los átomos se producen mediante lo "ue se conoce como enlace "uímico< "ue puede ser de +arios tipos< iónico< co+alente o metálico. Las molculas son estructuras "ue se )orman por la unión entre dos átomos * se pueden clasi)icar segn su composición en> MOLHCULAS DE ELEMENTOS Los elementos gaseosos contienen< en estado natural< molculas separadas unas de otras< * además< )ormadas< en la ma*oría de los casos< por dos átomos Hmolculas diatómicasI. Aemos hablado de la molcula de hidrógeno< A2. !l subíndice signi)ica "ue está )ormada por dos átomo MOLHCULAS DE COM%UESTOS Las
combinaciones
de
átomos
*
molculas de elementos di)erentes )orman los "ue se llaman compuestos moleculares. on estructuras )ormadas por unos pocos o muchisimos átomos HmacromolculasI. Las uniones entre los di)erentes
átomos
se
realian Física y Química 4º ESO
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dierectamente entre ellos. !#emplos son la molcula de agua está constituida por un átomo de o&ígeno * dos de hidrógeno< o la de amoníaco )ormada por tres átomos de hidrógeno unidos a un átomo de nitrógeno< 8ero tambin es una molcula el 6DN )ormado por millones de átomos unidos entre sí. CRISTALES. Muchas sustancias sólidas no contienen molculas separadas unas de otras< sino "ue )orman cristales con numerosos átomos dispuestos ordenadamente. Los metales están constituidos por átomos iguales del propio elemento< ordenados en estructuras cristalinas. 9tros cristales están )ormados por iones de distinto signo> iones positi+os de elementos metálicos * negati+os de no metálicos. on los compuestos iónicos< entre los "ue se encuentran las sales. !l cristal de cloruro de sodio está constituido por iones negati+os de cloro * positi+os de sodio. 4n cristal iónico está )ormado por la unión de un metal * un no metal. Los metales * las sustancias iónicas son compuestos no moleculares. e presentan en )ormas cristalinas. FÓRMULAS QUÍMICAS Las )órmulas son la representación mediante símbolos de los compuestos "uímicos. indican los elementos "ue )orman el compuesto * el nmero de átomos de cada elemento en la molcula< o la proporción en "ue se combinan si el compuesto es iónico. Peamos algunos e#emplos> La )órmula del hidrógeno molecular es 2 < lo "ue indica "ue el símbolo del elemento es A * "ue una molcula está )ormada por dos átomos. La del o&ígeno es O 2 < tambin con dos átomos por molcula. La )órmula del agua es 2 O * representa "ue una molcula de agua tiene dos átomos de hidrógeno * uno de o&ígeno. La molcula del amoniaco es NA'< un átomo de nitrógeno unido a tres átomos de hidrógeno< * sa se toma como )órmula de este compuesto. La )órmula de la sal comn es "a' < lo "ue indica "ue en dicho compuesto e&iste un átomo de cloro por cada átomo de sodio< pues no contiene molculas de)inidas.
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LA MASA MOLECULAR. 6l ser las molculas agrupaciones de átomos unidos entre sí mediante enlaces "uímicos< si se desease conocer la masa de una molcula el procedimiento es sencillo< ),'(+ /( '()( & -(( , & /) *') 8,& -'& /( '/-,/(B ( &)*( -(*0( )& /( --& -' '()( '/&-,/(+. !#emplo calcular la masa molecular de trió&ido de dihierro
Fe 2 O 3
La molcula esta compuesta por 2 átomos de (e * por tres átomos de 9< si miramos en la tabla periódica las masa atómicas de cada clase de átomos son O = 16 u * F$ = 55,8 u . La masa molecular del F$ 2 O3 es> O > 16.3 F$ > 2.55 ,8
48,0 u 111,6 u ////////////// 15+,6 u
LA CANTIDAD DE %ARTÍCULAS. EL MOL. La teoría atómica propone "ue la materia no es continua sino "ue está )ormado por partículas * como tales será posible contarlas. 8ero al ser las partículas de tama?o tan pe"ue?o< en una masa de materia del orden de 1 gramo< habrá una cantidad enorme de partículas< por e#emplo en 2 gramos de hidrógeno ha* del orden de 102 partículas< cantidad "ue representa un billón de billones. Mane#ar nmeros de esta magnitud no es cómodo< así "ue se ha introducido una nue+a unidad para contar partículas< el '/< cu*a e"ui+alencia en cantidad de partículas es>
1 mol 6,022·10 23 partículas Las partículas de distintas sustancias di)ieren el +alor de sus propiedades como el caso de su masa por lo "ue la misma caridad de partículas de di)erentes sustancias tendrá distinta masa . La masa de un mol de partículas de una determinada sustancia es llamada masa molar de la sustancia . L( '()( & , '/ & (+*-,/() 6B"22J1"23 K & ,( ),)*(-0( )& &'0( '()( '/(+ & /( ),)*(-0(.
La unidad de masa molar "ue usaremos habitualmente es
g . m!'
Aa* "ue resaltar "ue se considera como partícula cual"uier entidad "ue se mue+a libremente así se inclu*en los átomos libres como las molculas. 6sí un mol de átomos de oro serán 6,022· 1023 átomos de oro.
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4n mol de molculas de agua serán 6,022·10 23 molculas de agua.
EL ENLACE QUÍMICO. La unión de átomos se logra mediante el enlace "uímico "ue se produce por la interacción entre los electrones de distintos átomos. !&isten tres clases de enlaces "uímicos el &/(-& 0>0-< el &/(-& -?(/&*& * el &/(-& '&*/0-. E/ &/(-& 0>0- se realia por trans)erencia de electrones * posterior atracción elctrica. e da entre elementos de las columnas 1/ * 17 con los de las columnas 1 * 2. 4n e#emplo de sustancia "ue presenta esta clase de enlace es el cloruro de sodio. !l enlace se )orma debido a la )ormación de iones< átomos con carga elctrica< el sodio pierde un electrón * "ueda cargado positi+amente. !l cloro gana un electrón * "ueda cargado negati+amente. 8osteriormente se atraen
ambos
iones
mediante
atracción elctrica. Mediante el enlace
iónico
no
se
)orman
molculas< sal+o en estado gaseoso sino cristales< cada ión está rodeado de muchos iones por los "ue atraído. E/ &/(-& -?(/&*& se produce por compartición de electrones. Mediante pares de electrones "ue pertenecen a ambos átomos se )orma la unión. Mediante esta compartición se logra "ue la ltima capa de cada uno de los átomos se encuentre llena. e pueden compartir uno< dos o tres pares de
electrones
)ormándose
enlace
co+alentes sencillos< dobles o triples. La unión es direccional< produciendo la unión entre dos átomos determinados entre sí. e da principalmente entre elementos de las columnas 15< 1/ * 17< tanto entre átomos del mismo elemento o de distinto elemento. 4n e#emplo de sustancia co+alente son las molculas homoatómicas como el cloro molecular (' 2 ) o
heteroatómicas como el agua ( 2 O ) o el amoníaco ( " 2 ) . Física y Química 4º ESO
16
E/ &/(-& '&*/0- se debe a la perdida de los electrones e&ternos * su compartición por todos los átomos agrupados. !s un enlace mu* comple#o * no se trata en este curso. e da entre elementos metálicos Hpor e#emplo columnas 1 * 2 entre otrasI. %RO%IEDADES DE LAS SUSTANCIAS SEGN EL TI%O DE ENLACE. Las propiedades )ísicas de las sustancias son el resultado de las interacciones de las molculas entre sí * la naturalea de stas está estrechamente relacionado con el tipo de enlace.
!NL6$! ;QN;$9
odos son sólidos con puntos de )usión mu* altos. !n general son duros pero )rágiles. !n estado sólido no conducen la electricidad< sí la conducen si están )undido o disueltos en agua<.. Muchos compuestos iónicos son mu* solubles en agua Hpero no todosI * en otros disol+entes polares
$9M84!9 M9L!$4L6!
No son conductores de la corriente elctrica. us puntos de )usión * ebullición son ba#os< pues las )ueras de atracción entre las molculas son dbiles. on solubles en disol+entes no polares< como el ' 4 Htetracloruro de carbonoI o el S2 Hdisul)uro de carbonoI.
$;6L! 6QM;$9
us puntos de )usión * ebullición son altos Hsuperiores a los '.500 %$I< debido a la )ortalea de los enlaces. No son solubles ni en disol+entes polares ni apolares uelen ser malos conductores< pero ha* e&cepcioners como el gra)ito.
!NL6$! $9P6L!N!
!NL6$! M!RL;$9
Los metales son todos sólidos a temperatura ambiente< sal+o el mercurio< Ag "ue es lí"uido. Los puntos de )usión * ebullición +arían mucho< pero por lo general son más altos "ue los de los elementos no metálicos. Aabitualmente< los metales son densos< * su densidad es ma*or en general "ue la de los no metales. Los metales son dctiles Hse pueden e&tender en hilos con poca di)icultadI * maleables Hse pueden laminar )ácilmenteI. u brillo metálico se debe a su alto poder de re)le&ión Hre)le#ar la lu "ue les llegaI. on buenos conductores de la electricidad * del calor< por estar los electrones libres en la red metálica.
Física y Química 4º ESO
17
E$ERCICIOS. 1/-!mp'$a $' sigui$($ cua&%! "!m%$ &$' $'$m$(!
Sím!'! uímic! &$' $'$m$(!
*asa a)mica
F'#!% ii! i$%%! !a'! "íu$' i(c *ag($si! 'ai(! !&! Esa! 2/-a'cu'a% 'a ca(i&a& &$ m!'$s u$ ay $( a 30 g%am!s &$ (i%)g$(!/ 25 g%am!s &$ O%!/ c 60 g%am!s &$ p!asi!/ & 1 g%am! &$ a'umi(i!/ 3/-9:!(&$ ay may!% ca(i&a& &$ á!m!s $( 2 g%am!s &$ i&%)g$(! ! $( 200 g%am!s &$ p'!m!; 4/-9uá(!s g%am!s p$sa%a( a 4 m!'$s &$ F$/ 2,2 m!'$s &$ '/ c 0,38 m!'$s &$ a/ & 35 m!'$s &$ a%!(!/ 5/-9uá(as á!m!s ay a E( 2 m!'$s &$ !%!/ E' &!s m!'$s &$ u%a(i!/ c E( 0,45 m!'$s &$ i$%%!/ 6/-9:!(&$ a%á may!% ca(i&a& &$ á!m!s $( 2 m!'$s &$ i$%%! ! $( 2 m!'$s &$ (i%)g$(!; 7/-9:!(&$ ay may!% ca(i&a& &$ á!m!s $( 4 g%am!s &$ !.íg$(! ! $( 4 g%am!s &$ (i%)g$(!; 8/-E.p'ica $( u$ &i
Física y Química 4º ESO
18
+/-!mp'$a% $' sigui$($ cua&%! S':/
N (*>'0-ZK 11 2 -2 1,2 20
N ')0- AK 2' 2', '20, '-
N & +*&)
N & &,*+&)
N & &/&-*+&)
10/-!mp'$a% $' sigui$($ cua&%! Sím!'!
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i&%)g$(!
1
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2
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3
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11
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12
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13
Si
14
15
S
16
'
17
@%
18
11/-9uá(!s á!m!s &$ ca&a $'$m$(!
1+
a/- :i).i&! &$ ca%!(! ( O 2) A /- Bci&! su'<#%ic! ( 2 SO4 ) A c/-Su'
13/-9uá(as pa%ícu'as &$ p%!pa(! ay $( 2 m!'$s &$ &ic! c!mpu$s!; 14/-9uá(as pa%ícu'as &$ &i).i&! &$ au<%$ ( SO 2 ) ay $( 100 g%am!s &$ &ic! gas; *asa g m!'a% 64 / m!'
15/-a'cu'a% 'a masa &$ 100 m!'$s &$ am!(íac! ( " 3) /*asa m!'a% 17
g / m!'
16/-9uá(!s m!'$s &$ am!(iac! (" 3 ) ay $( 100 g%am!s &$ &ic! gas;*asa m!'a% 17 17/-a'cu'a% 'a masa &$ 80 m!'$s &$ agua *asa m!'a% &$' agua 18
g m!'
g / m!'
18/-9uá(as pa%ícu'as a%á( $( 5 m!'$s &$ agua; 9 $( 5 m!'$s &$ am!(iac!; 9&!(&$ ay may!% (#m$%! &$ pa%ícu'as $( 100 g%am!s !.íg$(! m!'$cu'a% O 2 ! $( 100 g%am!s &$ am!(íac! ( " 3 ) 1+/-9uá(!s m!'$s &$ &i).i&! &$ ca%!(! ( O 2) ay $( 300 g%am!s &$ $s$ gas; 20/-a'cu'a% $' (#m$%! &$ m!'$s &$ ca&a susa(cia u$ ay $( a 200 g%am!s &$ áci&! su'<#%ic! ( 2 SO4 ) / 100 g%am!s &$ i&%).i&! s)&ic! ( "aO ) / c 150 g%am!s &$ g'uc!sa ( 6 12 O6 ) /
& 30 g%am!s &$ i&%)g$(! m!'$cu'a% H / 2
g 21/-9uá' $s 'a masa $( g &$ u(a pa%ícu'a &$ ua(!; *asa m!'a% 58 m!' /S$g#( '! $.p%$sa&! $( 'a a'a i(&ica $' ip! &$ $('ac$ u$ i$($ ca&a susa(cia
S,)*(-0( ustancia 6 ustancia B ustancia $
%,* & ,)0>
S/0:0/0( & (<,(
6lto Ba#o 6lto
i No No
C,-*0?0( &/-*+0-( !n disolución No i
Física y Química 4º ESO
20
Física y Química 4º ESO
21
T&'( 2. F+',/(-0> 8,'0-(. CONCE%TO DE N DE OIDACIÓN. !l nmero de o&idación se puede de)inir como la capacidad de combinación de un elemento "uímico con respecto a otros elementos< cuando )orman entre sí di+ersos compuestos "uímicos. Los nmeros de o&idación positi+os de algunos elementos más usuales se muestran en el siguiente cuadro. Nombre
ímbolo
N% Nombre o&idación
ímbolo
N% o&idación
Nombre
ímbolo
N% de o&idación
Litio
Li
S1
inc
n
S2
9&ígeno
9
2
odio
Na
S1
$admio
$d
S2
Aidrógeno
A
1
8otasio
O
S1
6luminio
6l
S'
(luor
(
1
ubidio
b
S1
$obalto
$o
S2< S'
$loro
$l
1
8lata
6g
S1
Aierro
(e
S2< S'
Bromo
Br
1
Berilio
Be
S2
Ní"uel
Ni
S2< S'
;odo
;
1
Magnesio
Mg
S2
9ro
6u
S1< S'
6u)re
2
$alcio
$a
S2
8lomo
8b
S2< S
!stroncio
r
S2
!sta?o
n
S2< S
Bario
Ba
S2
Mercurio
Ag
S1.S2
todos
átomos
COM#INACIONES MONARIAS on
compuestos
pertenecen
al
en mismo
"ue
elemento<
los
como
más
importantes citaremos las molculas del propio elemento como $, O 2, O3, " 2 , 2 , 4 on
compuestos
"ue
L0)*( & +&0) Mono
reciben
)recuentemente Di nombres +ulgares. u nomenclatura se limita a la ri
1
8enta
5
2
Ae&a
/
'
Aepta
7
9cta
,
utiliación de pre)i#os griegos ante el nombre del elemento en cuestión. ' 2 O3
etra
dicloro trio&ígeno
Física y Química 4º ESO
22
COM#INACIONES #INARIAS. !n el caso de compuestos binarios Hcompuestos )ormados por dos elementosI< se deben seguir como norma> !scribir siempre el elemento de nmero de o&idación positi+o a la i"uierda * el de nmero de o&idación negati+o a la derecha< aun"ue al nombrarlos se hace en orden in+erso. 6l escribir la )ormula de un compuesto se intercambian los nmeros de o&idación de los di)erentes átomos. grupos o iones "ue inter+ienen< colocándolos como subíndices * simpli)icándolos< teniendo en cuenta "ue el nmero 1 no se escribe * "ue en la )órmula )inal deben aparecer siempre nmeros enteros. ÓIDOS. e denominan ó&idos a los compuestos binarios del o&igeno con otro elemento. ÓIDOOÍGENOP ELEMENTO QUÍMICO N'&-/(*,+( *+(0-0(/ i el elemento "ue )orma el ó&ido sólo puede actuar con un nmero de o&idación se puede nombrar> $on la terminación ico $on la palabra ó&ido seguida de la preposición de * el nombre del metal. "a2 O : G.i&! &$ s!&i! u ).i&! s)&ic!/
i el elemento "ue )orma el ó&ido sólo puede actuar con dos nmeros de o&idación > e nombran con la palabra ó&ido seguida del nombre del metal terminado en ICO u OSO< segn "ue el metal acte con el M6T9 o con el M!N9 estado de o&idación. F$2 O3 > G.i&! !n esta nomenclatura se indica la proporción de los constitu*entes mediante pre)i#os los correspondientes a la tabla O 2 :Dióxído de p'!m!/ F$ 2 O3 > rió&ido de dihierro.
N'&-/(*,+( & S*- !n esta nomenclatura se nombran los compuestos nombrando el elemento con su nombre * el el caso de "ue posea más de un nmero o&idación se indica este entre parntesis. O 2 > Q&ido de carbono H;PI
Física y Química 4º ESO
23
" 2 O 5 > Q&ido de nitrogeno HPI N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
I 2 O
Q&ido de potasio
Monó&ido de dipotasio
Q&ido de potasio
>(O
Q&ido de inc
Monó&ido de inc
Q&ido de inc
F$O
Q&ido )erroso
Monó&ido de hierro
Q&ido de hierro H;;I
S(O 2
Q&ido estannico
Dió&ido de esta?o
Q&ido de esta?o H;PI
COM#INACIONES #INARIAS CON EL @IDRÓGENO. @IDRUROS METÁLICOS on compuestos en los cuales el hidrógeno acta con nmero de o&idación 1 * +a precedido en las )órmulas por el símbolo del metal. e siguen las mismas )ormulaciones anteriores pero ahora en +e de o&ido se denominan hidruros 2
Aidruro plumboso
Dihidruro de plomo
Aidruro de plomo H;;I
a 2
Aidruro cálcico
Dihidruro de calcio
Aidruro de calcio
S( 4
Aidruro estannico
etrahidruro de esta?o
Aidruro de esta?o H;PI
@ALUROS DE @IDRÓGENO ÁCIDOS @IDRÁCIDOSK !s la combinación del hidrógeno con alguno de los siguientes elementos> (< $l< Br< ; * los cuales actan con nmero de o&idación negati+os< actuando el hidrógeno con el nmero de o&idación S1. e nombran a?adiendo el no metal la terminación Uuro * completando con la e&presión de hidrógeno. !n disolución acuosa presentan nombre especiales< la siguiente tabla los muestra. C',&)*
N':+&
E 0)/,-0> (-,)(
F
(luoruro de hidrógeno
Rcido )luorhídrico
'
$loruro de hidrógeno
Rcido clorhídrico
?%
Bromuro de hidrógeno
Rcido bromhídrico
D
Toduro de hidrógeno
Rcido *odhídrico
2 S
ul)uro de hidrógeno
Rcido sul)hídrico
Los hidruros del 9< N * del 8 tienen nombre especiales.
Física y Química 4º ESO
24
C',&)*
N':+& &)&-0(/ (-&*(
" 3
6moníaco
2 O
6gua
3
(os)ina
"a
Aidruro sódico
Monohidruro de sodio
Aidruro de sodio
?a 2
Aidruro de bario
Dihidruro de bario
Aidruro de bario
@' 3
Aidruro de aluminio
rihidruro de aluminio
Aidruro de aluminio
@ALOGENUROS. on combinaciones de los halógenos con un metal< actuando el halógeno con el numero de o&idación H1I. N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
"a'
$loruro de sodio
$loruro de sodio
$loruro de sodio
a' 2
$loruro de calcio
Dicloruro de calcio
$loruro de calcio
F$' 3
$loruro )rrico
ricloruro de hierro
$loruro de hierroH;;;I
SULFUROS. on combinaciones del au)re con un metal< actuando el au)re con el numero de o&idación H 2I. N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
"a2 S
ul)uro de sodio
ul)uro de disodio
ul)uro de sodio
aS
ul)uro de calcio
ul)uro de calcio
ul)uro de calcio
F$S
ul)uro )rrico
Monosul)uro de hierro
ul)uro de hierroH;;I
Física y Química 4º ESO
25
E$ERCICIOS. 1/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ ).i&!s N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
@' 2 O3 O i 2 O aO @u2 O ?$O "iO !2 O 3 @g2 O gO "a2 O F$2 O 3 J2 O
2/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ i&%u%!s N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
J a 2
4 2 >( 2 i I
3/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ a'!g$(u%!s Física y Química 4º ESO
26
N'&-/(*,+( *+(0-0(/
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
>(' 2 ' 4 g' 2 &' 2 i' F$' 2 ?$' 2 @' ' 3
4/-!mp'$a 'a sigui$($ a'a &$ su'
N'&-/(*,+( )0)*&'*0-(
N'&-/(*,+( & S*-
F$2 S 3 S 2 ?aS gS S(S ?$S i 2 S S%S @u2 S @u2 S 3
1/-!mp'$a% '!s cua&%!s $( 'a(c! FÓRMULA
N. TRADICIONAL
N. SISTEMÁTICA
N. DE STOC
$loruro de bario Q&ido de aluminio 9&ido de esta?o H;PI Física y Química 4º ESO
27
FÓRMULA
N. TRADICIONAL
N. SISTEMÁTICA
N. DE STOC
!' 3
Q&ido mercrico etracloruro de esta?o >( 2
Aidruro de aluminio Monó&ido de dipotasio @' 2 S 3
9&ido ni"ueloso @u?%
$loruro de aluminio Q&ido de bario Dió&ido de plomo ?aS
$loruro de plata *g' 2
Aidruro de litio aO
$loruro de estroncio Monosul)uro de calcio Q&ido de sodio 9&ido de berilio g 2 S
ricloruro de hierro 9&ido de aluminio g'
9&ido de plata ricloruro de oro
Física y Química 4º ESO
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FÓRMULA
N. TRADICIONAL
N. SISTEMÁTICA
N. DE STOC
ul)uro )rrico "i' 2
$loruro de sodio ul)uro de potasio
Física y Química 4º ESO
2+
T&'( 3. M&-/() 0)/,-0&) !n el medio natural es mu* raro encontrar sustancias en estado puro. 8or e#emplo el agua "ue bebemos contiene sales disueltas * cuando la publicidad nos habla de agua pura< no lo es en sentido "ue se da al concepto de sustancia pura en "uímica< en realidad "uiere indicar "ue no ha sido modi)icado despus de ser recogida del medio natural. La norma general es "ue los sistemas materiales sean una mecla de muchas sustancias. La materia se clasi)ica en dos categorías principales> •
S,)*(-0() ,+() es una porción de materia "ue presenta una propiedades características Htemperatura de )usión< temperatura de ebullición< densidad...I "ue poseen unos +alores )i#os * "ue di)ieren de los de otras sustancias.
•
M&-/() son combinaciones de dos o más sustancias puras< cada una de las cuales mantiene su propia composición * propiedades.
Las de)iniciones para ser comprendidas en toda su e&tensión necesitan "ue se pro)undice en los conocimientos "uímicos< determinar si un sistema material es una sustancia pura o no< re"uiere "ue sea sometida a pruebas< cu*os resultados nos proporcionan la respuesta. Las meclas a su +e pueden ser homogneas o heterogneas. •
U( '&-/( '<&( a"uella presenta unas propiedades * una composición uni)ormes en todas sus porciones.
•
U( '&-/( &) &*&+<&( es a"uella cu*a composición * propiedades +aría en distintas porciones de la misma.
Las homogeneidad o no de una mecla depende de la escala de obser+ación "ue tomemos< por e#emplo a simple +ista la leche nos parece homognea< pero si la obser+amos a tra+s de un microscopio se +e "ue presenta heterogeneidades. i una de las sustancias "ue componen la mecla está en una proporción mu* superior al resto< a sta se la llama sustancia dispersante< al resto sustancias dispersas. 8ara distinguir entre distintas clases de meclas se ha tomado como criterio el tama?o "ue )orman los aglomerados de las sustancias dispersas. N':+& & /( '&-/(.
T('( & /) (
O:)&+?(-0> & /) (
E&'/.
uspensión
*ay!% u$ 10 m
Pisibles a simple +is ta o con un micros 8ol+o en suspensión en el aire. copio.
$oloide
E(%$ 10−+ m y 10 −6 m
Pisibles con ultrami crocopios o ilumina a+ia de los árboles. ción lateral
Disolución
*$(!% u$ 10−+ m
No +isibles con nin 6gua salada.
−6
Física y Química 4º ESO
30
gn instrumento.
DISOLUCIONES !n lo "ue sigue trataremos de las disoluciones< "ue de)iniremos como la mecla homognea de dos o más sustancias en la "ue no se pueden distinguir partes di)erentes mediante ningn instrumento. Las disoluciones reciben el nombre de binarias< ternarias...< segn "ue consten de dos< tres... componentes. !n las disoluciones se distinguen el disol+ente * los solutos. 8ara especi)icar a "ue sustancias le corresponden estas denominaciones se toma como criterio "ue el disol+ente es la sustancia en ma*or proporción si las sustancias "ue se meclan están en el mismo estado de agregación< o a"uel cu*o estado de agregación es el mismo "ue el de la disolución si los componentes< se encuentran en distinto estado de agregación. Las disoluciones se pueden )ormar entre sustancias "ue se encuentren en distinto estado de agregación< siendo posible todas las combinaciones. D0)/?&*& S>/0
3 * , / 3 S
L8,0
G()&)
S>/0
Bronce Hmecla de cobre * esta?oI. 6gua de mar.
Aumo HDisolución de partículas de carbón en aireI.
L8,0
Mercurio en cobre o inc HamalgamaI.
6lcohol * agua.
Niebla HDisolución de agua en estado lí"uido en aireI.
G()&)
Aidrógeno en paladio.
9&ígeno en agua.
6ire Hmecla de nitrógeno< o&ígeno * otros gases en menor proporciónI.
!l disol+ente más utiliado es el agua< las disoluciones acuosas son )undamentales en la naturalea< aun"ue muchas +eces se debe hablar de coloides o suspensiones más "ue de disoluciones. on tambin ampliamente utiliadas en los laboratorios "uímicos. 8ero e&isten otras muchas sustancias "ue se utilian como disol+entes en los laboratorios "uímicos como el tetracloruro de carbono< el he&ano o el alcohol. Los disol+entes se clasi)ican en dos grandes grupos los 0)/?&*&) /(+&) * /) 0)/?&*&) (/(+&). !ntre los primeros destaca el agua< entre los segundos se encuentran sustancias como el benceno< el tetracloruro de carbono * muchos otros disol+entes orgánicos. Los disol+entes polares * los apolares no se disuel+en unos en otros< son inmiscibles entre sí. !l carácter polar o apolar de una sustancia es una propiedad intrínseca a la misma los "ue hace "ue muchas sustancias "ue son solubles en disol+entes polares no lo sean en los apolares * +ice+ersa. Aa* muchas otras sustancias "ue se disuel+en en los dos tipos de disol+entes< esto se debe a la estructura microscópica de la sustancia. 4n e#emplo es el alcohol etílico "ue se disuel+e bien en agua * en muchos disol+entes apolares. !n general para la solubilidad Física y Química 4º ESO
31
e&iste una regla Vlo igual disuel+e a lo igualW.
LA SOLU#ILIDAD DE LAS SUSTANCIAS $uando se pretende disol+er un sólido en un lí"uido no
T(:/( & )/,:0/0(&)
es posible disol+er una cantidad ilimitada. !&iste una
S,)*(-0(
proporción má&ima solutoXdisol+ente< "ue al ser superada hace "ue aun"ue se adicione más soluto este
$loruro de sodio
'/
$loruro de potasio
'
no se disuel+a< esta cantidad se conoce como Nitrato de potasio solubilidad. !l +alor de la solubilidad es característico de Nitrato de sodio cada sustancia * depende de la temperatura * se suele Nitrato de plata e&presar en gramos de soluto por cada 100 gramos de $arbonato de sodio $arbonato de calcio
disol+ente.
ramos soluto 100 ramos aua
$lorato de sodio
$uando se una disolución contiene la má&ima cantidad Aidró&ido de sodio de soluto "ue es capa de disol+er en proporción a la
'1<5 ,, 222 21<5 0<001' 101 10,
cantidad de disol+ente se dice "ue la disolución está )(*,+((. 9tros dos conceptos cualitati+os relacionados con las proporciones disol+enteXsoluto son> D0)/,-0> --&*+((> cuando e&iste una alta proporción de soluto. D0)/,-0> 0/,0(> cuando e&iste una ba#a proporción de soluto. 6mbos conceptos son relati+os< dependiendo para clasi)icar a una disolución como concentrada o diluida de su relación con lo cerca "ue est de estar saturada. egn
el
modelo
corpuscular
la
disolución se produce al interponerse las partículas del disol+ente entre las de soluto.
FORMAS DE E%RESAR LA CONCENTRACIÓN Las disoluciones pueden presentar proporciones mu* di)erentes entre sus componentes. La proporción entre las cantidades de soluto * de disol+ente de una disolución< de)ine una característica de la misma denominada JconcentraciónK. C-&*+(-0> &) /( -(*0( & )/,* &;0)*&*& & -(( ,0( & &) ?/,'& & ,( 0)/,-0>.W Aa* muchas )ormas di)erentes de e&presar la concentración de una disolución< pero solo consideraremos tres> Física y Química 4º ESO
32
G+(')/0*+> es el nmero de gramos de soluto por litro de disolución. !(c$(%aci)(( g / )= m = g%am!s &$ s!'u! K i%!s &$ &is!'uci)( T(* + -0&* & '()( !s el nmero de gramos de soluto contenido en cada 100 g de disolución. L $( masa = g%am!s &$ s!'u! · 100 g%am!s &$ &is!'uci)( g%am!s &$ &is!'uci)( = g%am!s &$ s!'u! + g%am!s &$ &is!'M$($ Molaridad> !s el nmero de moles de soluto contenido en un litro de disolución. e representa por M. *!'a%i&a& * =
(º &$ m!'$s 'i%!s &$ &is!'uci)(
E$ERCICIOS
R&-+(+ 1 i%! ( )=1000 m
8ara cambiar de mililitros HmLI a litros ha* "ue di+idir por 1000 1 i%!( )=1000 cm3
8ara cambiar de centímetros cbicos (cm3 ) a litrosHLI ha* "ue di+idir por 1000 E$ERCICIO RESUELTO
e ha preparado una disolución< disol+iendo 200 g de sul)ato cprico ( uSO 4 ) < a?adiendo agua hasta completar un +olumen de ' litros. $alcular su molaridad. Masa molar del sul)ato cprico 15-
̄
Esa ca(i&a& &$ s!'u! $sá c!($(i&a $( 3 'i%!s &$ &is!'uci)(/ E( c!(s$cu$(cia, $' (#m$%! &$ m!'$s c!($(i&!s $( u( 'i%! &$ 'a misma $s *!'a%i&a& = 1,253 = 0,418 * 3
Física y Química 4º ESO
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!n muchas ocasiones el soluto es un lí"uido por lo "ue se necesita conocer cual es el +olumen "ue se necesitará para la preparación. E$ERCICIO RESUELTO e desea preparar 2 litros de una disolución de alcohol etílico en agua de concentración 0<25 M Yu +olumen de alcohol etílico deberemos tomarE g A *asa m!'a% = 46 g :a!s &$(si&a& a'c!!' $í'ic!=0,7+ m!' cm3
a%a 'a p%$pa%aci)( s$ ($c$sia%á u( (#m$%! &$ m!'$s igua' a (= * ·K =0,25·2=0,5 m!'$s uya masa $s m =( · * =0,5·46= 23 g%am!s ̄
m 23 = 2+,1 cm3 &$ a'c!!' Qu$ s$ c!%%$sp!(&$( c!( u( M!'um$( &$ K s!'u!= = & 0,7+
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E$ERCICIOS. 1/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 30 g%am!s &$ sa' $( 1 'i%! &$ agua/ a9uá' $s $' s!'u!; 9uá' $s $' &is!'M$($; c 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 2/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 20 g%am!s &$ sa' $( m$&i! 'i%! &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 3/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 10 g%am!s &$ sa' $( 250 m &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 4/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 30 g%am!s &$ sa' $( 150 m &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 5/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( &is!'Mi$(&! 35 g%am!s &$ s!sa $( agua asa !$($% u( M!'um$( &$ &is!'uci)( &$ $( 125 cm3 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g; 6/-9ua(!s g%am!s &$ sa' s$%á( ($c$sa%i!s pa%a p%$pa%a% m$&i! 'i%! &$ u(a &is!'uci)( &$ c!(c$(%aci)( 20 g; 7/-9ua(!s g%am!s &$ sa' s$%á( ($c$sa%i!s pa%a p%$pa%a% 200 m &$ u(a &is!'uci)( &$ c!(c$(%aci)( 50 g; 8/-S$ i$($( 200 cm3 &$ u(a &is!'uci)( &$ agua &$ ma% si$(&! su c!(c$(%aci)( $( sa' &$ 2 g si s$ $Map!%a s$ !&a $' agua 9ua(!s g%am!s &$ sa' u$&a%ía(; +/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( m$c'a(&! 30 g%am!s &$ sa' y 200 g%am!s &$ agua/ a9uá' $s $' s!'u!; 9uá' $s $' &is!'M$($; c 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a L $( masa; 10/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( m$c'a(&! 25 g%am!s &$ sa' y 450 g%am!s &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a L $( masa; 11/-S$ p%$pa%a u(a &is!'uci)( m$c'a(&! 300 g%am!s &$ a'c!!' y 750 g%am!s &$ agua/ 9uá' $s 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a L $( masa; 12/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ a#ca% $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 5 L $( masa &$ a#ca% 9uH ca(i&a& &$ a#ca% a%á $( 400 g%am!s &$ &is!'uci)(; 13/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ sa' $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 2 L $( masa &$ sa' 9uH ca(i&a& &$ sa' a%á $( 500 g%am!s &$ &is!'uci)(; 14/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ s!sa $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 1 L $( masa &$ s!sa 9uH ca(i&a& &$ sa' a%á $( 250 g%am!s &$ &is!'uci)( Física y Química 4º ESO
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15/-S$ &isp!($ &$ u(a &is!'uci)( &$ sa' $( agua &$ u(a c!(c$(%aci)( &$' 6 L $( masa &$ sa' 9uH ca(i&a& &$ sa' a%á $( 2000 g%am!s &$ &is!'uci)( 16/-S$ a p%$pa%a&! u(a &is!'uci)(, &is!'Mi$(&! 100 g &$ c'!%u%! s)&ic! y aa&i$(&! agua asa c!mp'$a% u( M!'um$( &$ 2 'i%!s/ a'cu'a% su m!'a%i&a&/ *asa m!'a% &$' c'!%u%! s)&ic!58,5 g m!' 17/-9uá(!s g%am!s &$ m$a(!' s$ ($c$sia( pa%a p%$pa%a% 3 'i%!s &$ u(a &is!'uci)( 0,25 *; *asa m!'a% &$' m$a(!'31 gm!' 18/-S$ i$($ u(a &is!'uci)( &$ 20 g &$ $a(!' 2 5 O $( 250 m'/ 9uá' $s su m!'a%i&a&; *asa m!'a% &$' $a(!'46 gm!'/ 1+/-9)m! p%$pa%a%ías 500 cm3 &$ u(a &is!'uci)( 0,5 * &$ "aO; a masa m!'a% &$ "aO $s 40 gm!' 20/-E' Mi(ag%$ $s u(a &is!'uci)( acu!sa &i'ui&a &$ u(a g%a( ca(i&a& &$ susa(cias, si$(&! $' s!'u! u$ s$ $(cu$(%a $( may!% p%!p!%ci)( $' áci&! acHic!/ @' a(a'ia% u( Mi(ag%$ c!m$%cia' s$ $(c!(%) u$ $(ía u(a c!(c$(%aci)( m!'a% &$ 0,6 * 9uá(!s g%am!s &$ áci&! acHic! a%á( $( 200 m &$ $s$ Mi(ag%$; *asa m!'a% &$' áci&! acHic!62 gm!'/ 21/-S$ &isu$'M$( 7 g &$ saca%!sa $( 200 m &$ agua/ O$($% 'a c!(c$(%aci)( &$ 'a &is!'uci)( $.p%$sa&a $( g' y m!'a%i&a&/ *asa m!'a% &$ 'a saca%!sa 270
g m!'
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T&'( 4. R&(--0&) 8,'0-(). FENÓMENOS FÍSICOS Y FENÓMENOS QUÍMICOS. i miramos a nuestro alrededor< +eremos "ue todo se trans)orma constantemente< cambios de posición< de )orma de temperatura< e incluso en la propia naturalea de las sustancias. i se buscase clasi)icar estas trans)ormaciones< se harían dos grandes grupos> Las trans)ormaciones en las cuales no cambia la naturalea "uímica de los cuerposG es decir< no aparecen sustancias nue+as< "ue denominaran trans)ormaciones )ísicas. Las trans)ormaciones en las "ue cambia la naturalea de las sustancias< "ue se denominan trans)ormaciones "uímicas. $omo e#emplo de trans)ormación "uímica< podríamos citar el proceso por el cual troo de hierro a la intemperie durante cierto tiempo< se recubre de herrumbrG "ue es una sustancia con distintas propiedades de las del hierro< otros e#emplos de )enómenos "uímicos son la combustión del butano< la )abricación de #abón< la o&idación de un metal< las )unciones de nutrición de los seres +i+os< los procesos "ue tienen lugar en los alimentos al cocinarlos< la constitución de las rocas * los minerales< etc. $omo e#emplo de )enómenos )ísicos citaremos< la caída de un cuerpo por la atracción gra+itatoria de la ierra< el cambio de estado de una sustancia por +ariación de su temperatura< la re)le&ión de la lu en super)icies especularesG la dilatación de un cuerpo por e)ecto del calor< el paso de la corriente elctrica por un conductor< etc.< no suponen cambios de las sustancias "ue inter+ienen en estos procesos. $ual"uier cambio o trans)ormación de sustancias en otras di)erentes se denomina )enómeno "uímico.
LAS REACCIONES QUÍMICAS. !n las reacciones "uímicas la materia se trans)orma< *a "ue las sustancias "ue ha* al comenar el proceso no son las mismas "ue al )inaliar ste. 8or e#emplo se produce un )enómeno "uímico cuando al bicarbonato de sodio se le a?aden unas gotas de +inagre< se produce un gas< "ue se mani)iesta por las burbu#as de la e)er+escencia.< si se identi)ican las sustancias obtenidas< se comprueba "ue el gas es dió&ido de carbono * tambin se obtiene cloruro de sodio. 9tro e#emplo se da< cuando ponemos en contacto un trocito de sodio * agua en un +aso de Física y Química 4º ESO
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precipitados se produce una reacción espontánea * +iolenta en la "ue se )orman hidró&ido de sodio e hidrógeno. Las propiedades de ambas sustancias son mu* di)erentes a las "ue tienen el sodio * el agua< se ha producido< por tanto< una reacción "uímica. !n las trans"ormaciones #uímicas, tam$i%n llamadas reacciones #uímicas, aparecen sustancias nue&as, la materia se trans"orma' ECUACIONES QUÍMICAS. !n toda trans)ormación "uímica desaparecen sustancias * aparecen nue+as sustancia. Las sustancias iniciales se denominan +&(-*0?) * a las sustancias )inales +,-*). 8ara describir una reacción "uímica se utilia una simbología "uímica "ue consiste en escribir las sustancias reacti+o< a continuación una )lecha * detrás las sustancias producto. Susa(cias %$aciM! Susa(cia p%!&uc! Las reacciones "uímicas se representan mediante ecuaciones "uímicas. !n el primer miembro
de la ecuación se escriben las )órmulas de los reacti+os< * en el segundo las de los productos. Los dos miembros se separan por una )lecha . 8or e#emplo< la reacción del ácido clorhídrico ' con el hidró&ido de sodio "aO se escribe así> Bci&! c'!%í&%ic! i&%).i&! &$s!&i! '!%u%! &$ s!&i! agua ' "aO "a' 2 O
LEY DE CONSERACIÓN DE LA MASA. !n una reacción "uímica< la masa de los reacti+os es igual a la masa de los productos. !s decir< la masa del sistema HreacciónI permanece constante. !sta le* )ue enunciada por La+oisier "ue< despus de numerosas e&periencias< llegó a la siguiente conclusión> !n cual"uier sistema "uímicamente cerrado las masas )inales se conser+an iguales a las iniciales< cuales"uiera "ue ha*an sido los cambios internos. masa &$ %$aciM!s=masa &$ p%!&uc!s 6sí< por e#emplo< cuando reaccionan g de au)re con 7 g de hierro se obtienen 11 g de sul)uro de hierroH;;I. 8odría ocurrir "ue en la reacción "uímica uno de los productos )uera un gas< en cu*o caso< para "ue la masa se conser+ara< habría "ue realiar dicha reacción en un recipiente cerradoG un e#emplo de este tipo de situación es aO3 aO O2 i la reacción tiene lugar en un recipiente abierto< la descomposición de 100 g de carbonato de calcio se produce 5/ g de producto )inal< puesto "ue uno de los productos de la reacción< el $92< ha escapado por ser gaseoso en las condiciones de la reacción Física y Química 4º ESO
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LAS REACCIONES QUÍMICAS Y LA TEORÍA ATÓMICA Dado "ue los átomos son inmutables en las reacciones "uímicas la cantidad de átomos de cada clase de elemento "uímico "ue inter+iene no cambia< ha* los mismos antes * despus de la reacción "uímica. !n una reacción "uímica lo "ue cambia es como se encuentran unidos los átomos rompindose enlaces * )ormándose otros nue+os. La teoría atómica de la materia interpreta "ue> ()na reacci*n #uímica es una reorani+aci*n de los átomos #ue "orman las sustancias reaccionantes reacti&os- para o$tener otras nue&as, de propiedades di"erentes, llamadas productos de reacci*n, sin #ue apare+can ni desapare+can nue&os átomos, e.iste la misma cantidad de cada clase antes / despu%s de la reacci*n $uando reacciona el cloro ' 2 con el hidrógeno 2 < reacti+os< se )orma cloruro de hidrógeno ' < producto. La ecuación "uímica del proceso es 2 ' 2 2 '
8ara poner de mani)iesto la conser+ación del nmero de átomos de cada elemento aparece en las ecuaciones "uímicas un nmero delante de una de las )órmulas "uímicas< estos nmero se denominan coe)icientes este"uiomtricos * se colocan por"ue la cantidad total de átomos de cada clase no +aría en una reacción "uímica. La bs"ueda de los coe)icientes este"uiomtricos
se
conoce
como
a#uste
de
ecuaciones "uímicas. 4na )orma de representación de reacciones es el modelo de bolas< en el cada átomo se representa por una es)era. E$ERCICIO RESUELTO. 6#usta la reacción del sodio con el agua para dar hidrógeno e hidró&ido de sodio> "a 2O "aO 2
6un"ue ninguna de las sustancias "ue inter+ienen es de )ormulación mu* complicada< comenaremos por el "aO por"ue contiene más elementos Hsodio< o&ígeno e hidrógenoI.
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;gualamos el nmero de hidrógenos en ambos miembros de la reacción colocando el coe)iciente 2 al 2 O * al 2 al "aO < con lo "ue se tienen átomos de hidrógeno a cada lado. "a 2 2 O 2"aO 2
$omo los átomos de o&ígeno *a están a#ustados H2 átomos en cada miembroI< sólo es necesario a#ustar los de sodio< lo "ue se soluciona colocando el coe)iciente 2 al Na. 2"a 2 2 O 2"aO 2
La ecuación está a#ustada< sus coe)icientes son enteros * los menores posibles< pues no son di+isibles.
CÁLCULOS A %ARTIR DE LAS ECUACIONES ECUACIONES QUÍMICAS. $ada +e "ue se realia una reacción con ob#eto de preparar un compuesto "uímico debemos )ormulamos preguntas como> "u cantidad de cada reacti+o debe pesarse * de#ar "ue reaccione para producir la cantidad deseada de productoE i sólo se dispone de unos pocos gramos de reacti+o< "u cantidad del otro reacti+o será necesariaE Yu cantidad de producto podrá obtenerse a partir de una cantidad dada de los materiales de partidaE 8ermanecerá inalterada alguna cantidad de los reaccionantesE $omo *a hemos indicado< las ecuaciones "uímicas representan un lengua#e mu* preciso * +ersátil. De ellas se puede obtener importante in)ormación cualitati+a *< lo "ue es más importante< in)ormación cuantitati+a. La presencia de trió&ido de au)re en el aire como polucionante se debe a la reacción del dió&ido de au)re con el o&ígeno atmos)rico. 2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3
La ecuación "uímica a#ustada anterior nos proporciona distintas in)ormaciones C(( 2 molculas de 92 2 moles de 92
R&(--0( - 1 molcula de 92 1 mol de 92
%(+( +'(+ 2 molculas de 9 ' 2 moles de9'
12, g de 92
'2 g de 92
1/0 g de 9'
Las relaciones de una ecuación "uímica pueden e&presarse como relaciones de molculas< de moles o de masas. !l conocimiento de las relaciones "ue se deri+an de la in)ormación contenida en la ecuación
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"uímica permitirá utiliando las reglas de proporcionalidad responder a las preguntas "ue se realiaban al principio Bre+emente diremos "ue para resol+er los problemas de este"uiometría se precisan cuatro etapas> 1 !scri$ir la ecuaci*n #uímica iualada' 2 rans"erir en moles la in"ormaci*n suministrada' 3 asar la in"ormaci*n de moles a ramos' 4'!sta$lecer las relaciones entre las sustancias' E$ERCICIO RESUELTO. Yu masa de o&ígeno se re"uiere para "ue reaccionen completamente 2 gramos de metano< $AE ecordando la ecuación igualada> O 2 4 2O 2 1 m!' 2 m!'$s 1 m!' 16 g 64 g 44 g
2 2O 2m!'$s 36 g
!sto nos indica "ue 1/ g de metano reaccionan con / g de o&ígeno< por lo "ue se puede establecer la siguiente proporción de reacción> 16 g &$ 4 −−−−−−−64 g &$ O 2 24 g &$ 4 −−−−−−−− . g &$ O ¿ despe#ando se obtiene . = 24⋅64 =+6 g &$ O 2 16
CLASES DE REACCIONES. Las reacciones "uímicas se pueden clasi)icar en distintos tipos< a continuación +eremos tres de ellos< aun"ue ha* otros distintos> REACCIONES DE SÍNTESIS. i en una cápsula de porcelana se coloca un poco de au)re en pol+o< de color amarillo< * algunas limaduras )inas de hierro< cu*a masa sea casi el doble de la del au)re. e meclan bien las dos sustancias. e coloca la cápsula sobre la llama del mechero de gas * se calienta sua+emente. 8ronto aparece una incandescencia ro#a "ue se e&tiende a toda la mecla. e puede apreciar "ue< aun"ue no se contine calentando< la reacción sigue por sí sola. Física y Química 4º ESO
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!l producto obtenido tiene color grisáceo *< al acercarle un imán< sólo e&perimenta una dbil atracción magntica. !s el sul)uro de hierro H;;I. La ecuación correspondiente al proceso es F$ S F$S
!n esta reacción dos elementos se han unido para )ormar un compuesto> este tipo de reacción de combinación recibe el nombre de reacción de síntesis. 9tra )orma de reacción de síntesis es la "ue tiene lugar entre molculas sencillas de compuestos "ue se unen para )ormar una molcula más comple#a. 6sí sucede< por e#emplo< en la siguiente reacción> SO 3 O 2 2 SO4
5eacciones de síntesis son a#uellas en #ue las mol%culas de dos elementos o compuestos se unen para "ormar la mol%cula de otro compuesto' REACCIONES DE DESCOM%OSICIÓN. !sta clase de reacciones es< en cierto modo< el caso contrario de las reacciones de síntesis. $omo e#emplo se puede tomar la descomposición del clorato de potasio I'O 3 . !n un tubo de ensa*o se coloca un poco de clorato de potasio pul+eriado. !sta sustancia es un producto cristalino de color blanco. ambin se a?ade una pe"ue?a cantidad de otra sustancia< el dió&ido de manganeso< Mn92< cu*a nica )inalidad es la de )a+orecer la descomposición del clorato. 6l calentar con la llama del mechero de gas< se +a descomponiendo el clorato. i acercamos a la boca del tubo un palito de madera con un punto de ignición< se obser+a cómo se a+i+a la llama< debido a "ue en dicha descomposición se produce o&ígeno. La ecuación "ue describe esta reacción es la siguiente> 2 I'O 3 2 I' 3 O 2
5eacciones de descomposici*n consisten en #ue una sustancia se descompone en otras más sencillas'
ENERGÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS. ENERGÍA QUÍMICA. Aabitualmente se "uema madera< petróleo< gas o carbón para obtener calor. !ste calor se emplea en producir el +apor de agua necesario para mo+er las paletas de una turbina< "ue< a su +e< mo+erá el electroimán de un alternador< generándose corriente elctrica. ambin se puede obtener corriente elctrica< aun"ue en menor escala< a partir de una pila o de una batería. !n uno u otro caso< la energía almacenada en ciertas sustancias Hlos combustibles o los compuestos "ue contiene la pilaI se ha trans)ormado en otra )orma de energía.
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e llama energía "uímica a la energía almacenada en los enlaces de las sustancias. 6 di)erencia de otras )ormas de energía< la energía "uímica se almacena * se transporta con )acilidad. REACCIONES EOTHRMICAS Y ENDOTHRMICAS odas las reacciones "uímicas transcurren con un intercambio de energía con el medio ambiente. La energía "ue entra en #uego en una reacción "uímica es generalmente energía calorí)ica< aun"ue en muchos casos +iene acompa?ada de energía luminosa o energía elctrica. 4na combustión< por e#emplo< genera lu * calor. 4na reacción e&otrmica es una reacción en la "ue se desprende energía. Las combustiones * un gran nmero de reacciones de )ormación de compuestos a partir de sus elementos Hpor e#emplo< agua a partir de hidrógeno * o&ígenoI son reacciones e&otrmicas. !s importante se?alar "ue muchas reacciones e&otrmicas necesitan un pe"ue?o aporte inicial de energía para producirse Huna chispa elctrica o una pe"ue?a llama< por e#emploI. 6hora bien< una +e iniciada la reacción< la cantidad de energía "ue se desprende es mu* superior "ue la energía "ue ad"uiere a la "ue se suministró al principio de la reacción. 4na reacción endotrmica es una reacción "ue necesita un aporte continuo de energía para producirse. La descomposición< mediante el calor< del carbonato de calcio en ó&ido de calcio * dió&ido de carbono aO3 aO O 2 es una reacción endotrmica. REACCIONES DE COM#USTIÓN !stamos habituados a utiliar sustancias< como la madera< el carbón o el butano< $ A10< para apro+echar el calor producido cuando las "uemamos. !ste proceso< llamado combustión< constitu*e un tipo mu* importante de reacción "uímica. Peamos cómo tiene lugar. $uando encendemos una +ela< la cera< "ue es una mecla de hidrocarburos< es decir< de sustancias )ormadas por carbono e hidrógeno< se )unde< se +aporia * se "uema produciendo lu * calor. La cera es un combustible. 6hora bien< para la combustión se necesita algo más "ue el combustible< se necesita o&ígeno. La combustión no comiena espontáneamente< sino "ue debe iniciarse mediante aplicación de una llama o de una chispa elctrica< despus< contina por sí misma. !l primer combustible empleado por el ser humano )ue la madera. 8osteriormente< con el paso de los siglos< se ha obtenido energía utiliando otros combustibles< como el carbón. Más tarde empeó a utiliar el gas naturalG el propano 3 8 G el butano 4 10 Gla gasolinaG etc.< "ue son hidrocarburos. La combustión del carbono produce dió&ido de carbono< mientras "ue la combustión de los Física y Química 4º ESO
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compuestos hidrocarbonados< como el alcohol< la cera< el butano< etc... produce además +apor de agua La combustión es la reacción de una sustancia llamada combustible con o&ígeno< al "ue llamamos comburente. !n ella se desprende gran cantidad de energía en )orma de lu * calor 4na ecuación genrica de la combustión de un compuesto orgánico sería> !mpu$s! P%gá(ic! 2 O2 2 O $($%gía
!s una reacción de gran importancia< tanto en la naturalea como para la acti+idad humana< *a "ue es la )orma en "ue los seres +i+os * nuestras má"uinas obtienen de )orma mu* ma*oritaria su energía. eacciones de combustión particularmente importantes son> L( -':,)*0> &/ -(+:. u ecuación "uímica es la siguiente> + O2 → O2 !l producto es dió&ido de carbono * se desprende energía lumínica * calorí)ica. $uando esta reacción tiene lugar con poco o&ígeno< la reacción es entonces> 2 + O 2 → 2 O )ormándose monó&ido de carbono< un gas +enenoso * mu* peligroso. La combustión de hidrocarburos Hcompuestos cu*a base es carbono e hidrógenoI. !n esta reacción se )orma $92 * +apor de agua. !s la reacción "ue tiene lugar en la combustión de los combustibles )ósiles Hcarbón * petróleoI< )uente básica de obtención de energía en nuestra sociedad. 4n e#emplo de esta reacción es la combustión del metano> 4 + 2 O2 → O 2 + 2 2 O
L( -':,)*0> & /( 6a com$usti*n es la reacci*n de una sustancia llamada com$usti$le con el Física y Química 4º ESO
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o.íeno, al #ue llamamos com$urente' !n ella se desprende ran cantidad de enería en "orma de lu+ / calor )na ecuaci*n #uímica en%rica de la com$usti*n de un compuesto oránico sería7 8ompuesto oránico
o.íeno
di*.ido de car$ono
aua
enería
REACCIONES ÁCIDO #ASE Nuestro sentido del gusto distingue muchos sabores. abemos "ue el +inagre para ensaladas< el umo de naran#a * más el de pomelo * el de limón< tienen un sabor ácidoG así mismo hemos sentido alguna +e acide de estómago< cu*o remedio lo encontramos con la sal de )rutas o con el bicarbonato< "ue son sustancias "ue de alguna manera reducen o eliminan esa acide. !ste conocimiento data de tiempos antiguos< *a los ácidos eran )amiliares a los romanos. De hecho< la palabra ácido pro+iene del latín ácidus "ue signi)ica VagrioW. Los antiácidos "ue denominaremos bases< aun"ue se utiliaron tambin desde tiempos mu* antiguos H)abricación de #abón< etc.I< solamente comenaron a ser clasi)icadas como un grupo por los árabes como un tipo di)erente de sustancias< a las "ue dieron el nombre de álcalis< palabra "ue signi)ica Zcenia de plantasZ< *a "ue las cenias de ciertas plantas tienen propiedades de las bases. 6demás del sabor e&isten otras propiedades "ue caracterian a los ácidos * las bases. Ácidos
ienen sabor ácido o agrio Hparecido al +inagreI. us disoluciones conducen la corriente elctrica. !nro#ecen la tintura aul de tornasol. eaccionan con las bases HneutraliaciónI. La ma*oría son corrosi+os para la piel. $on el mármol producen e)er+escencia. Disuel+en muchas sustancias.
Bases
ienen sabor amargo o cáustico Ha le#íaI. No reaccionan con los metales. us disoluciones conducen la corriente elctrica. 6ulean el papel de tornasol. eaccionan con los ácidos HneutraliaciónI. La ma*oría son corrosi+os para la piel. eaccionan con las grasas dando #abones. 8recipitan muchas sustancias "ue son solubles en los ácidos.
4na magnitud "ue será )undamental en el estudio del comportamiento de los ácidos * las bases es la conocida como @ 8,& &*&+'0( &/ <+( & (-0& & :()0-0(. S, ?(/+ ?(+( &*+& " 14B -/()00-)& /() ),)*(-0() & Á-0() su pA es menor "ue 7 HpA[7I #)0-() su pA es ma*or "ue 7 HpA \ 7I. !n la siguiente tabla se muestran los pA de di)erentes sustancias Física y Química 4º ESO
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M,&)*+( Rug! gás%ic! &$' $s)mag! Rug! &$ 'im)( Ki(ag%$ i$' uma(a $c$ @gua pu%a Sa(g%$ ág%imas :$$%g$($ &!mHsic! a as$ &$ am!(íac! :is!'uci)( &$ s!sa
@ 1-2 2-4 3 5,5 6,5 7 7,3-7,4 7,4 11,5 13-14
INDICADORES ÁCIDO#ASE $iertas sustancias< llamadas indicadores< adoptan un color distinto segn sea el pA del medio. $ada indicador cambia de color en un margen distinto de pA< por lo "ue son mu* tiles para a+eriguar el grado de acide o basicidad de una disolución. T(:/( 00-(+&) -0:()& N':+& &/ 00-(+ 6naran#ado de metilo 6ul de bromotimol ornasol (enol)taleína
C/+ -0
C/+ :)0-
ro#o
6marillo
amarillo
6ul
ro#o
6ul
;ncoloro
osa
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E$ERCICIOS 1/-Ja!(a y c!mp'$a i(&ica(&! $' ip! &$ %a(s( 322 g%am!s &$ >(SO 4 4 g%am!s &$ 2 4//- TTT g%am!s &$ ' 2 2 g%am!s &$ 2 73 g%am!s &$ ' 4/c/- TTT g%am!s &$ 2 32 g%am!s &$ O2 36 g%am!s &$ O2 4/&/- 126 g%am!s &$ I'O 3 TTTT g%am!s &$ I' 48 g%am!s &$ O 2 5/-J$a'ia% $' c!%%$sp!(&i$($ &iag%ama &$ !'as %$p%$s$(aiM!s &$ 'a sigui$($s $cuaci!($s uímicas =i(a $( ca&a %$acci)( ca&a ip! &$ á!m! c!( u( c!'!% &isi(! y $( $( cu$(a '!s c!$
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5//- O 2 O2 5/c/- 2 O2 2 O 5/&/- 4 2 O2 O 2 2 2 O 5/$/- 3 8 5 O2 3 O 2 4 2 O 6/-D(&ica cua'$s &$ 'as sigui$($s %$acci!($s uímicas $sá( ausa&as 6/a/- 2 2 + O2 → 2 2 O 6//- SO 2 + O2 → SO3 6/c/- 2S + O2 → SO 2 6/&/- 2"O2 → " 2 O 4 7/-@usa% 'as sigui$($s $cuaci!($s uímicas 7/a/- + O2 → O 7//- " 2 + 2 → " 3 7/c/- ' 2 + O 2 → ' 2 O 3 7/&/- F$ + O 2 → F$O 7/$/- " 2 + O 2 → "O2 7/
+/a/-
+ __ moles de O 2 → __ moles de H 2 O
TT g%am!s &$ 2 + TT g%am!s &$ O2 → 36 g%am!s &$ 2 O
10 g%am!s &$ 2 + TT g%am!s &$ O2 → TT g%am!s &$ 2 O Física y Química 4º ESO
4+
2 C
+ O2 → 2 C O
2 m!'$s &$ + TT m!'$s &$ O2 → TT m!'$s &$ O 10/-/ TT g%am!s &$ + 32 g%am!s &$ O 2 → TT g%am!s &$ O
5 g%am!s &$ + TT g%am!s &$ O2 → TT g%am!s &$ O " 2 + 3 2 → 2 " 3
1 m!' &$ " 2 + TT m!'$s &$ 2 → TT m!'$s &$ " 3 11/-c/28 g%am!s &$ " 2 + TT g%am!s &$ 2 → TT g%am!s &$ " 3
100 g%am!s &$ " 2 + TT g%am!s &$ 2 → TT g%am!s &$ " 3 12/-E' ica%!(a! &$ s!&i! %$acci!(a c!( $' áci&! c'!%í&%ic! p%!&uci$(&! &i).i&! &$ ca%!(!, agua y c'!%u%! &$ s!&i! m$&ia($ 'a %$acci)( "aO 3 + ' → "a' + O 2 12/a/- 9a $cuaci)( uímica $sa ausa&a; Si (! '! $sá, a#sa'a/ 12//-9uá(!s g%am!s &$ ' s$ ($c$sia%á( pa%a %$acci!(a% c!( 2 g%am!s &$ ica%!(a! &$ s!&i!; 12/c/-9uá(!s g%am!s &$ c'!%u%! &$ s!&i! s$ !$(&%á(; 13/-E' mag($si! %$acci!(a c!( $' !.íg$(! c!( u(a ''ama muy 'umi(!sa y s$ !i$($ ).i&! &$ mag($si!/ a %$acci)( &$' p%!c$s! $s Mg + O 2 → MgO
9uá(!s g%am!s &$ ).i&! &$ mag($si! s$ !i$($( a pa%i% &$ 10 g%am!s &$ mag($si!; 14/-E' ca%!(a! &$ ca'ci! (aO 3 ) %$acci!(a c!( $' áci&! c'!%í&%ic! ( ' ) , !$(iH(&!s$ c'!%u%! &$ ca'ci! (a' 2 ) , &i).i&! &$ ca%!(! (O 2 ) y agua ( 2 O ) / a $cuaci)( &$' p%!c$s! $s CaCO 3 + HCl → CaCl 2 + C O 2 + H 2 O
15/-a'cu'a% '!s g%am!s &$ c'!%u%! &$ ca'ci! ( a' 2) u$ s$ !$(&%á( a pa%i% &$ 200 g%am!s &$ ca%!(a! &$ ca'ci! (aO3 ) /
Física y Química 4º ESO
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16/-@' ca'$(a% $' %i!.!c'!%a! &$ p!asi! ( I'O 3 ) , s$ &$sc!mp!($ $( c'!%u%! &$ p!asi! ( I' ) y !.íg$(! m!'$cu'a% ( O 2) , KClO3 KCl O 2
17/-9uá(!s g%a(!s &$ I' s$ !i$($( a' &$sc!mp!($% 50 g &$ ( I'O 3 ) ; 18/-ua(&! s$ u$ma ca%)(, si (! $.is$ au(&a(cia &$ !.ig$(!, i$($ 'uga% 'a %$acci)( C + O 2 → CO 2 9ua(!s
g%am!s &$ &i).i&! &$ ca%!(! s$ !i$($( $( 'a c!musi)( &$ 240 g
&$ ca%!(!; 1+/-9uá(!s g%am!s &$ !.ig$(! $ i&%)g$(! s$ p%!&uc$( a' &$sc!mp!($% 300 g%am!s &$ agua; a %$acci)( &$' p%!c$s! $s 2 O → 2 + 2 20/-a'cu'a $' (#m$%! &$ g%am!s &$ ca%!(a! &$ ca'ci! ( aO 3 ) u$ s$ ($c$sia( pa%a !$($% 84 g &$ ).i&! &$ ca'ci!/ 9uá(!s m!'$s &$ ( O 2 ) s$ p%!&uc$(; a %$acci)( &$ &$sc!mp!sici)( H%mica &$' ca%!(a! &$ ca'ci! $s aO3 → aO + O 2 21/-@' ca'$(a% $' %i!.!c'!%a! &$ p!asi! s$ &$sc!mp!($ $( c'!%u%! &$ p!asi! y !.ig$(! m!'$cu'a% 9uá(!s g%am!s &$ I' s$ !i$($( a' &$sc!mp!($% 80 g &$ ( I'O 3 ) ; KClO3 → KCl + O 2
22/-a g'uc!sa &$ 'a uMa p%!&uc$ p!% <$%m$(aci)( a'c!!' $í'ic! s$g#( 'a %$acci)( 6 12 O 6 → 2 2 5 O + 2O 2 E' a'c!!' m$c'a&! c!( $' %$s! &$' m!s! c!(siuy$ $' Mi(!/ 9uá(!s g%am!s &$ a'c!!' s$ !$(&%á( a pa%i% &$ 500 g &$ g'uc!sa; 23/-E' su'
23/a/-@usa 'a $cuaci)( uímica 23//-9uá(!s g%am!s &$ &i).i&! &$ au<%$ s$ !i$($( a pa%i% &$ u( ki'!g%ams &$ su'(SO 4 m$&ia($ '$ p%!c$s!
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H 2 SO 4 Zn ZnSO 4 H 2
24/a/-a'cu'a '!s g%am!s &$ ci(c ($c$sa%i!s pa%a p%!&uci% 100 g%am!s &$ su'
25/a/-a'cu'a '!s g%am!s &$ O2 p%!&uci&!s a' %$acci!(a% 100 g%am!s .$ g'uc!sa/ 25//-a'cu'a '!s g%am!s &$ O2 ($c$sa%i!s pa%a u$ %$acci!($( 100 g%am!s &$ g'uc!sa/ 26/-Esc%i$ 'as $cuaci!($s &$ c!musi)( c!%%$sp!(&i$($s a 'as sigui$($ susa(cias a %!pa(! ( 3 8 ) A ?ua(! ( 4 10 ) c @'c!!' $í'ic! 2 6 O & $.a(!/ 6 14 27/-!mp'$a y ausa 'as sigui$($s %$acci!($s &$ c!musi)( 27/a/- 4 + TTTTTT →
O 2 +
2 O
27//- 2 6 + O 2 →
TTTTTT +
2 O
27/c/- 6 6 + O 2 →
O2 + TTTTTTT
27/&/- 5 10 + O 2 →
TTTTTT + TTTTTT
28/-E' m$a(! 4 y $' ua(! 4 10 s$ ui'ia( c!m! c!musi'$s/ !mpa%a '!s g%am!s &$ &i).i&! &$ ca%!(! u$ s$ p%!&uc$( cua(&! s$ u$ma u( ki'!g%am!s &$ ca&a c!musi'$;
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Física y Química 4º ESO
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T&'( 5. Q,'0-( +<0-(. EL ORIGEN DE LA QUÍMICA ORGÁNICA. La utiliación de sustancias pro+enientes de los seres +i+os ha sido practica habitual de las sociedades humanas desde los tiempos más remotos como alimento< combustible< uso mdico o para la )abricación de utensilios * herramientas. ustancias como el alcohol< el ácido actico o el índigo son conocidas * utiliadas pos el hombre desde tiempos le#ano. !l rápido aumento en los conocimientos "ue se produce desde el enacimiento tambin tu+o su re)le#o en el descubrimiento * preparación de nue+as sustancias< así en el siglo :P;;; se obtu+ieron sustancias como el alcohol metílico< la sacarosa o la urea. !ste aumento del nmero se sustancias conocidas lle+ó a intentar su clasi)icación. (ue Berelius "uien propuso la clasi)icación de las sustancias en dos grandes grupos 0+<0-() * +<0-()< la primera se obtenían a partir de la materia inanimada mientras "ue las segundas pro+enían de los seres +i+os. (ue por in)luencia de algunas creencias religiosas por lo "ue a las segundas se les dotó de una propiedad especial< la posesión de )uera +ital< una esencia propia e&clusi+amente de los seres +isos * "ue implicaba "ue estas sustancias solo las podían )abricar en e&clusi+a los seres +i+os< nunca a partir de las sustancias inorgánicas< )ue la teoría conocida como ?0*(/0)'. La+oisier estudió muchas sustancia orgánicas encontrando "ue todas estaban compuestas basicamente por carbono e hidrógeno pero eso no basto para modi)icar las teoría +italista< "ue comenó a tambalearse cuando en 1,2, el "uímico alemán ]óhler< a los 2, a?os< sintetió la urea a partir del calentamiento de un compuesto inorgánico. !n una carta dirigida a su pro)esor Berelius escribía al respecto> J... 8uedo producir urea sin necesidad de un ri?ón< sin un animal Hsea una persona o un perroI...K 6 pesar de ello no se abandonó inmediatamente la teoría +italista "ue persistió de una )orma u otra durante unos +einte a?os más< mostrando así< una +e más< "ue no basta con "ue los resultados de un e&perimento contradigan una teoría para "ue sta sea inmediatamente abandonada. in embargo< durante los a?os posteriores a la síntesis de la urea< se produ#eron nue+as síntesis de compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas. Oolbe Halumno de ]óhlerI obtu+o ácido actico a partir de los elementos constitu*entes Hcarbono< hidrógeno * o&ígenoIG el "uímico )rancs Berthelot sintetió otras sustancias> alcohol metílico< alcohol etílico< metano< benceno< acetileno< etc. 6demás< la e&istencia de una J)uera +italK como e&plicación de un tipo de cambio no resultaba compatible con el principio de conser+ación de la energía "ue< por a"uella poca< acababa de desarrollarse. odo ello contribu*ó a "ue Física y Química 4º ESO
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)inalmente se abandonara la teoría +italista< a la +e "ue comenaba el desarrollo de la Yuímica orgánica. uperada< pues< la barrera "ue separaba la materia inorgánica de la orgánica< *a no tenía sentido seguir distinguiendo entre Yuímica inorgánica * Yuímica orgánica. De hecho< ho* en día se pre)iere hablar de JYuímica del carbonoK< admitindose el trmino de Yuímica orgánica< aun"ue sin su sentido original. 8or "u raón< entonces< se sigue estudiando de )orma particular una "uímica "ue gira en torno a un solo elementoE 6 continuación trataremos de dar respuesta a esta cuestión.
EL ÁTOMO DE CAR#ONO. !l carácter tan especial de la Yuímica del carbono pro+iene )undamentalmente de su enorme capacidad para )ormar compuestos. La presencia de un nmero tan grande de compuestos de carbono en la naturalea hace posible "ue e&ista una +ariación mu* gradual de propiedades al pasar de unas sustancias a otras< lo "ue puede hacer "ue las cantidades de energía implicadas en dichos cambios no sean mu* grandes. No es< pues< de e&tra?ar "ue la +ida est asociada al carbono. La característica )undamental del átomo de carbono "ue lo hace especial< es su e&traordinaria capacidad para combinarse con compuestos de carbono estables con largas cadenas< de )orma "ue algunas molculas pueden contener 100 o más carbonos enlaados !l átomo de carbono )orma cuatro enlaces co+alentes< bien con otros átomos de carbono o con otros elementos "uímicos. u gran capacidad de combinación se basa en la gran estabilidad del enlace − < "ue resulta ser el segundo enlace más )uerte entre dos átomos "ue comparten un par de electrones Hsólo superado por el enlace − I. Los enlaces "ue )orma el carbono son enlaces co+alentes por lo tanto dirigidos< por lo "ue las molculas de compuestos de carbono presentan estructuras espaciales. RE%RESENTACIÓN DE LOS COM%UESTOS DE CAR#ONO Las )órmulas moleculares no son tiles en "uímica orgánica debido a "ue puede haber di)erentes compuestos con la misma )órmula molecular. on más tiles las llamadas semidesarrolladas * las desarrolladas< *a "ue indican la )orma en "ue se enlaan los di)erentes átomos de la molcula. F>+',/( '/&-,/(+> indica el nmero de átomos * de "u tipo )orman parte del compuesto . F>+',/( )&'0&)(++//((> muestra los enlaces entre átomos de carbono. F>+',/( &)(++//(( &)*+,-*,+(/ cuando e&presa la )ama de unirse los átomos.
Física y Química 4º ESO
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8ara la molcula de butano estas son los tres tipos de )órmulas
@IDROCAR#UROS. Los átomos de carbono pueden enlaarse entre sí de )orma co+alente< para )ormar largas cadenas< las más sencillas son las
"ue
corresponden a los
hidrocarburos< )ormados por
compuestos carbono e
hidrógeno. Los hidrocarburos pueden se de cadena lineal o de
%+&0) ,*0/0() & /() -(&() -(+:(() )&< ), '&+ & *') %REFI$O
N DE CAR#ONOS
Met
$adena de 1 átomo de carbono
!tna
$adena con 2 átomos de carbono
8rop
$adena con ' átomos de carbono
But
$adena con átomos de carbono
8ent
$adena con 5 átomos de carbono
Ae&
$adena con / átomos de carbono
Aept
$adena con 7 átomos de carbono
9ct
$adena con , átomos de carbono
Non
$adena con - átomos de carbono
Dec
$adena con 10 átomos de carbono
cadena rami)icada segn como sea
la
disposición
de
los
di)erentes átomos de carbono. !l más simple es el metano "ue presenta cuatro
enlaces co+alentes simples entre el carbono * el hidrógeno − < con una estructura tridimensional tal "ue los cuatro átomos de hidrógeno se encuentren en los +rtices de un tetraedro< "ue es la "ue logra el má&imo ale#amiento posible entre los pares de electrones. i aumentamos el nmero de carbonos de la cadena tenemos hidrocarburos como etano> 3− 3 propano> 3− 2 − 3 nbutano> 3− 2 − 2− 3
ienen nombre comn< cuando aumenta más el nmero de carbonos en la cadena el se nombran con un pre)i#o indicati+o del nmero de átomos de carbono< al "ue se le a?ade la terminación ano. Los primeros se muestran en el cuadro.odos ellos responden a la )órmula general ( (+ 2 < donde n toma +alores enteros. Física y Química 4º ESO
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Aidrocarburos De cadena rami)icada. Las cadenas de átomos de carbono pueden )ormar tambin estructuras rami)icadas. La nomenclatura de estos compuestos sigue una serie de reglas > e toma como cadena principal a"uella "ue contenga el grupo )uncional de ma*or prioridad * "ue presente ma*or nmero de átomos de carbono. !l orden de pre)erencia +iene dado por a'u$(! =a'ui(! U=%a&ica' La cadena principal se numera asignando a cada átomo de carbono un nmero localiador< siguiendo las reglas> e numeran los átomos de carbono de la cadena principal de tal )orma "ue el grupo )uncional principal tenga el nmero localiador menor. i se trata de un alcano las rami)icaciones serán las "ue tengan los nmeros localiadores menores. i en la cadena principal hubiera dos o más radicales iguales< se emplearán los pre)i#os di< tri< tetra...< * en el nombre se indican las posiciones. !ntre nmero * nmero se intercala una coma< * entre nmero * letra< un guión. 8ara nombrar los radicales se cambia la terminación ( por 0/. !#emplo se muestran a la derecha $uando ha* +arios sustitu*entes distintos se nombran ordenándolos al)abeticamente 6lgunos e#emplos son>
ALQUENOS Y ALQUINOS. Los átomos de carbono además de )ormar enlaces sencillos carbonocarbono presentan la posibilidad de )ormar enlaces dobles * triples< compartiendo dos o tres pares de electrones< en Física y Química 4º ESO
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el caso de los hidrocarburos esto da lugar a compuestos denominados al"uenos * al"uinos @0+-(+:,+) (/0(*0-) A/-()
A/8,&)
A/8,0)
E/(-& )&-0//
E/(-& :/&
E/(-& *+0/&
J− − − JV
J− = − J V
J− ≡ −J V
Los al"uenos son hidrocarburos no saturados "ue presentan al menos un doble enlace entre sus carbonos. ambin son denominados hidrocarburos etilnicos. esponden a la )órmula general ( 2( . e nombran igual "ue los alcanos< pero sustitu*endo el su)i#o ano por eno. $$(! > 2 2
p%!p$(! > 3 − 2 2 3eneralmente< es necesario indicar la posición del doble enlace< lo cual se hace con un nmero localiador Hel menor posibleI< "ue se sita delante del nombre del al"ueno * se separa de ste con un guión. !#emplos> 2 − p$($(! > 3− − 2− 3 1 − p$($(! > 3 − 2− 2− 2
$uando ha* más de un doble enlace< se utilian los pre)i#os di< tri< indicándose la posición "ue ocupan los dobles enlaces> etc. !#emplo> 1,3 − ua&i$(! > 2 − 2
Los al"uinos son hidrocarburos no saturados con triple enlace entre dos de sus átomos de carbonos. ambin se les denomina hidrocarburos acetilnicos. u )ormula general es ( 2(−2 . e nombran igual "ue los alcanos< pero ahora con la terminación ino. $i(! ! ac$i'$(!A ≡
p%!pi(! A ≡ − 3 1 −ui(!A ≡ − 2− 3 Física y Química 4º ESO
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8uede suceder "ue en una misma cadena e&istan dobles * triples enlaces. !n este caso para nombrar el compuesto se siguen las siguientes reglas> La numeración de los carbonos se realia de )orma "ue el doble enlace tenga el nmero localiador más ba#o. 6l nombrarlo nombrarlo se toma la cadena cadena principal como correspondient correspondientee al doble enlace por lo "ue se emplea el su)i#o en * a continuación se indica la posición del triple * el su)i#o ino. 1 −u$(− 3 −i(! > 2 = − ≡
2 − p$($( −4−i(!A 3− = − ≡ @IDROCAR#UROS CÍCLICOS. Los hidrocarburos cíclicos son hidrocarburos de cadena cerrada< *a sea saturada o insaturada. @0+-(+:, @0+-(+:,+) +) (/0*0-) (/0*0-) se nombran anteponiendo el pre)i#o ciclo al nombre del hidrocarburo de cadena abierta e"ui+alente< con las terminaciones ano para los hidrocarburos saturados< * eno o ino para los insaturados. !#emplos> @0+-(+:,+) (+'*0-) en (+'*0-) en un principio< el cali)icati+o de aromático "ue se dio a estos compuestos era debido a su aroma agradable< pero posteriormente se empl empleó eó para para desi design gnar ar a a"ue a"uellllos os comp compue uest stos os "ue "ue pres presen enta taba ban n una una gran gran estabilidad. !l benceno es el hidrocarburo aromático más sencillo * el origen de esta )amilia de sustancias orgánicas. u estructura )ue determinada por OeFule "ue propuso< en 1,/5< "ue la estructura del benceno era un ci clo he&agonal con un átomo de carbono en cada +rtice< todos ellos e"ui+alentes * a igual distancia.
Los hidrocarburos aromáticos son deri+ados del benceno< bien por sustitución de algn átomo de hidrógeno del ncleo bencnico por radicales al"uílicos< o bien por condensación de ncleos bencnicos. !l carbono puede )ormar enlaces co+alentes no sólo con el hidrógeno< sino tambin con l mismo * con otros elementos )ormando cadenas abiertas o cerradas "ue dan lugar a un gran nmero de compuestos distintos< "ue luego trataremos. 6demás de las posibilidades rese?adas de combinación del carbono consigo mismo * con el hidrógeno< tambin se produce la combinación con otros átomos o grupos de átomos< con lo "ue dichas posibilidades se amplían toda+ía más.
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8or e#emplo< es posible sustituir ' hidrógenos del metano por átomos de cloro * obtener el compuesto llamado triclorometano Ho cloro)ormoI usado hace a?os como anestsico.
COM%UESTOS ORGÁNICOS CON GRU%OS FUNCIONALES. 6demas de carbono e hidrógeno en muchos compuestos e&isten otra clase de átomos como o&ígeno < nitrógeno o compuestos halogenados. !stos al )ormar estructuras determinadas )orman los llamados grupos )uncionales. iendo determinantes en proporcionar una reacti+idad especí)ica a los compuestos. 6lgunos de los más simples los +eremos a continuación. DERIADOS @ALOGENADOS. Los deri deri++ados ados halog alogen enaados dos son los los "ue "ue se obt obtiene ienen n por por sustitución de uno o +arios hidrógenos por átomos de elementos halógenos< )lor< cloro< bromo o iodo. e nombran indicando el localiador del átomo de carbono en el "ue se encuentra el átomo de halogeno * a continuación el nombre del átomo. '!% '!%!$ !$a a(!A (!A 2 ' − 3 2−%!m!ua(! > 3 − ?% − 2− 3
1,2 −&ic'!% &ic'!%!p%! !p%!pa(!A pa(!A 2 ' −' − 3 ALCO@OLES. Los alcoholes resultan de sustituir uno o +arios hidrógenos de un hidrocarburo por grupo 0+;0 O@K. N'&-/(*,+( para N'&-/(*,+( para nombrarlos si se encuentra el grupo hidro&i en un carbono terminal se sustitu*e la terminación del hidrocarburo por a terminación ^ol' ^ol' $a(!' > 3− 2 O
p%!pa(!' > p%!pa(!' > 3− 2 − 2 O i el grupo hidro&i se encuentra en un carbono no terminal se indica el numero del carbono en "ue se encuentra siempre numerando los carbonos de )orma "ue el nmero "ue el carnono "ue posee el hidro&ilo tenga en menor nmero posible 3 − 2 − 2 −O − 3 A 2− p$(a(!'
Física y Química 4º ESO
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HTERES. 8oseen el grupo 9 . e nombran a?adiendo a la palabra ter los dos radicales "ue lo )orman en e n orden al)abtico. 3− 2− O − 3 A $i'm$i'H$%
3 −O − 3 A &im$i'H$% ALDE@ÍDOS. on compuestos "ue poseen el grupo carbonilo $9 en un e&tremo de la cadena.. e nombran como el hidrocarburo del mismo nmero de átomos de carbono< pero con la terminación -a'/ O A m$a(a' (
3 − O O $a( $a(a' a' ( ac$a'&$í&!) CETONAS. on compuestos "ue poseen el grupo carbonilo − = O en un carbono unido a otros dos átomos de carbono. e nombran como el hidrocarburo del mismo nmero de átomos de carbono con la terminación ona * se?alando la posición del grupo gr upo carbonilo. p%!pa(!(a (ac$!(a ) A 3 − O − 3
ua(!(aA 3 −O − 2 − 3 2− p$(a(!(a A 3 −O − 2 − 2 − 3
ÁCIDOS CAR#OÍLICOS. 6l de#ar una botella de +ino abierta< al cabo de unos días< se a+inagra. !l alcohol del +ino HetanolI se ha o&idado por la acción del o&ígen o&ígeno o en presen presencia cia de ciertos ciertos microo microorga rganis nismos mos.. La sustan sustancia cia obte obteni nida da es el +ina +inagr gree Háci Hácido do act actic ico o o etan etanoi oico coI. I. ambi ambin n contienen ácidos orgánicos la mante"uilla rancia< el "ueso )uerte * la leche agriada. Los ácidos orgánicos son deri+ados de los hidrocarburos hidr ocarburos con el grupo carbo&ilo en un e&tremo. e les nombra con el nombre del hidrocarburo del "ue proceden acabado en oico. i ha* dos grupos carbo&ilos< uno en cada e&tremo< se denomina dioico. No obstante se utilian más los nombres +ulgares "ue los sistemáticos. Física y Química 4º ESO
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ácido metanoico o )órmico> OO ácido etanoico o actico> 3 − OO ácido etanodioico u o&álico> OO − OO ácido propanoico o propiónico> 3− 2 −OO HSTERES. La reacción de un alcohol con un ácido orgánico da lugar a los steres. e nombran como sales de ácidos< es decir< sustitu*endo la terminación oico del ácido por la ato de la sal< seguida de la preposición de * el nombre del radical. acetato de etilo
CH 3− COO − CH 2− CH 3
metanoato de etilo
H −COO − CH 2−CH 3
AMINAS. e consideran deri+ados del amoniaco. i se sustitu*e un hidrogeno del amoniaco por iun radical< la amina es primaria < si dos< es secundaria < si tres< terciaria e nombran a?adiendo el su)i#o amina al nombre del hidrocarburo. Metilamina> 3 − " 2 H amina primariaI etilmetilamina> 3 −" − 2 − 3 H amina secundaria I dimetiletilamina> ( 3 )2−" − 3 H amina terciariaI AMIDAS. Las amidas presentan el grupo −O −" 2 se pueden considerar como deri+ados de los ácidos carbo&ílicos por sustitución del grupo −O por
el grupo −" 2 . e nombran sustitu*endo la terminación
oico por amida Metanoamida> O" 2 !tanoamida> 3− O" 2
Física y Química 4º ESO
62
E$ERCICIOS 1/-"!m%a% a 3− 32− 2− 2− 3 − 2− 3 A 3− 2− 32− 2 − 3 A c 3− 3 2− 3 2− 2− 2 − 3 A & 3 − 3 2 − 3 A $ 3− ≡ − 3 − 3 A < ≡ 2− 2 2 − 3 2− 3 A g 3 − 2− 2− 2 − 3 − 2 − 3
2/-F!%mu'a% a 2,2-&im$i'$.a(!A 2-m$i'$.a(!A c 3-$i'-3,4,5-%im$i'$pa(!A & 2m$i'-p$(a(!A & 2-m$i'$pa(!A
$ 2-m$i'ua(!A < 3-m$i'p$(a(!A g 2,3-
&im$i'p$(a(! 3/-"!m%a% a 3− 2− 2 − = 2 A 2= 2− 3 A c 3− = − 2− 3 A & 3− = − = 2 A$ 3− 2− 2 − 2− = 2 /A
≡ − 2 − 2− 3 A
3− ≡ − 3 A
<
3− 2− 2− ≡ A
i 3− 2− 2 − 2 − 2− = − 3 A
g
3− ≡ − ≡ A k 3 − ≡ − 2− 2 − 2− = 2 ' 3− 2− ≡ − 2− = − 3 A
m 3− = − ≡ A (A ≡ − 2− ¿ 2 ! 3− ≡ − ≡ 4/-F!%mu'a% a 2-u$(!A 1-$.$(!A c 2,4-$.a&i$(!/A & 3-!c$(!A $ 1,4-$pa&i$(!A < 2-p$(i(!A g 1-$pi(!A 3-$.i(!A i 2-!ci(!A 1,6-!ca&ii(!A k 2-$.$(-4-i(!A m 1$p$(-5-i(!A ( 3-$.$(-1-i(!A ! 4-!c$(-7-i(!A p 1-!c$(-6-i(! 5/-"!m%a% a 3− 2− O− 2− 3 A 3− 2− OO− 3 A c 3−O −O − 3 A & 3 − 2−O A
$ 3− 2−OO A
< 3− O A
3− OO− 2− 3 A i 2 O − 2− 2 O A
g 3− 2− 2− OO A
3− 2 −O − 2− 3 A k
" 3 3 A i
3− 2− 2− O A 3 − O− 3 A k 3 − 2− 2 O
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Física y Química 4º ESO
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T&'( 6. E)*,0 &/ '?0'0&*. LA ELOCIDAD MEDIA. e de)ine la +elocidad media como el cociente entre el espacio recorrido por un cuerpo * el inter+alo de tiempo in+ertido en recorrerlo. M$'!ci&a& m$&ia= $spaci! %$c!%%i&! i($%Ma'! &$ i$mp!
:
6bre+iadamente lo e&presaremos M m=
$
Las unidades de +elocidad se construirán a partir de unidades de longitud * de tiempo< pudiendo e&istir di)erentes posibilidades por e#emplo una posible unidad sería abre+iadamente
m s
m$%! s$gu(&!
o
.
m 4na +elocidad de 1 será la "ue lle+a un cuerpo "ue recorra un metro cada segundo. s 9tra posible unidad sería N(a M$'!ci&a& &$ 1
km h
ki')m$%! km o abre+iadamente . !%a
s$%á 'a u$ ''$Ma u( cu$%p! u$ %$c!%%a u( ki')m$%! ca&a !%a/
CAM#IO DE UNIDADES DE ELOCIDAD i nos planteamos la siguiente cuestión> 4n mó+il lle+a una +elocidad de 23
m km * otro una de +0 $uál irá más rápidoE s
8ara obtener la respuesta deberemos en primer lugar e&presar ambas +elocidades en la mismas unidades * posteriormente comparar las cantidades. !n esta caso ha* dos posibilidades o bien e&presar ambas +elocidades en
m km o bien en . i e&presamos ambos en s
m +0 km en m deberemos e&presar s s
!mplearemos la siguiente estrategia< cambiaremos cada unidad presente por su e"ui+alencia en las otras unidades< así sustituimos 1 km= 1000 m G 1 = 3600 s < * luego realiaremos las correspondientes operaciones algebraicas
Física y Química 4º ESO
