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QUIMICA: EL ESTUDIO DE LOS CAMBIOS LA MATERIA LA QUÍMICA ES EL ESTUDIO DE LA MATERIA Y DE LOS CAMBIOS QUE EXPERIMENTA La materia es cualquier cosa que ocupa un espacio y que tiene masa Una sustancia es una forma de materia que tiene una composición definida y propiedades características Ejemplos: agua, amoniaco, sacarosa, oro, oxígeno 2 Materia: cualquier cosa que ocupa un espacio y tiene masa Masa: medida de la cantidad de materia La unidad SI de la masa es el kilogramo (kg) 1 kg = 1000 g Peso: fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto peso = gravedad x masa 3 Una MEZCLA es una combinación de dos o más sustancias en la cual cada sustancia conservansus propiedades características. 1. Mezcla homogénea: la composición de la mezcla es la misma en toda la disolución. Sus componentes no se pueden distinguir. Agua azucarada, leche 2. Mezcla heterogénea: la composición no es uniforme en todas partes. Sus componentes si se pueden distinguir. virutas de hierro en arena 4 Los medios físicos puede usarse para separar una mezcla en sus componentes puros. Destilación Separar agua y azucar imán Separar hierro y arena 5 Un ELEMENTO es una sustancia que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos. • Se han identificado 115 elementos Ejemplo: oro, aluminio, plomo, oxígeno, carbono 6 Un COMPUESTO es una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas. Los compuestos sólo pueden separarse en sus componentes puros (elementos) por medios químicos. Agua (H2O) Glucosa (C6H12O6) 7 CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA Materia Separación por Mezclas métodos físicos Sustancias puras Separación por Mezclas homogéneas Mezclas heterogéneas Compuestos métodos químicos Elementos 8 LOS TRES ESTADOS DE LA MATERIA Sólido Líquido Gas 9 PROPIEDADES INTENSIVAS NO DEPENDEN DE LA CANTIDAD DE MATERIA SOBRE LA CUAL SE MIDE LA PROPIEDAD. (EJ: TEMPERATURA, COLOR, DENSIDAD, PUNTO DE FUSION) SON MUY UTILES EN QUIMICA PARA IDENTIFICAR SUSTANCIAS PROPIEDADES EXTENSIVAS SI DEPENDEN DE LA CANTIDAD DE MATERIA (EJ: MASA, VOLUMEN) 10 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS Una propiedad física no altera la composición o identidad de la sustancia Disolución de azúcar derretimiento de hielo en agua Una propiedad quimica altera la composición o identidad de la sustancia(s) involucrada(s) H2 O2 H2O H2 H2O El hidrógeno arde en presencia de oxígeno para formar agua 11 UNIDADES Y MEDIDAS MUCHAS PROPIEDADES DE LA MATERIA SON CUANTITATIVAS; ES DECIR, ESTAN ASOCIADAS CON NUMEROS UNA CANTIDAD MEDIDA SE EXPRESA COMO UN NUMERO SEGUIDO DE UNA UNIDAD NÚMERO UNIDAD UNIDADES BÁSICAS DEL SISTEMA INTERNACIONAL Cantidad fundamental Nombre de la unidad Longitud metro Masa kilogramo Tiempo segundo Corriente eléctrica amperio Temperatura kelvin Cantidad de sustancia mol Intensidad luminosa candela Símbolo m kg s A K mol cd UNIDADES DEL SISTEMA INGLÉS (ANGLOSAJÓN) Cantidad fundamental Longitud Longitud Masa Tiempo Nombre de la unidad pulgada pie libra segundo Símbolo in ft lb s PREFIJOS UTILIZADOS CON UNIDADES DEL SISTEMA INTERNACIONAL Prefijo TeraGigaMegaKiloDeciCentiMilliMicroNano- Símbolo T G M k d c m m n Significado 1012 109 106 103 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 UNIDADES DERIVADAS DEL SISTEMA INTERNACIONAL Unidades derivadas son resultado de combinar unidades consideradas como básicas Cantidad Volumen Densidad Velocidad Fuerza Nombre de la unidad metro cúbico masa/volumen metro/segundo Newton (N) Símbolo m3 Kg/m3 m/s Kg.m/s2 Volumen: es la medida de la cantidad de espacio que ocupa la materia. La unidad de volumen derivada del SI es el metro cúbico (m3) 3 1 m = 1000 L 1 L = 1000 mL = 1000 cm3 En química se suelen trabajar con volumenes pequeños 1 mL = 1 cm3 Densidad: Se define como la cantidad de masa en una unidad de volumen de sustancia. (comúnmente en g/mL) D = masa / volumen ES UNA PROPIEDAD INTENSIVA SE USA PARA CARACTERIZAR SUSTANCIAS MANEJO DE NÚMEROS NOTACIÓN CIENTÍFICA NÚMEROS DEMASIADO GRANDES O DEMASIADO PEQUEÑOS En 1 g de hidrógeno hay: 602 200 000 000 000 000 000 000 átomos Cada átomo de hidrogeno tiene una masa de: 0.000 000 000 000 000 000 000 001 66 gramos Lo engorroso de usar estos numeros se evita mediante la notacion cientifica. NOTACION CIENTÍFICA Cualquier numero sin importar si es grande o pequeño puede representarse mediante: N n x10 Donde N es un numero entre 1 y 10 n es un entero (positivo ó negativo) NOTACION CIENTÍFICA N x10n EL “TRUCO” ES ENCONTRAR EL VALOR DE n n se obtiene contando el número de lugares que se requiere mover el punto decimal de modo que N quede entre 1 y 10. 1 N 10 SI EL PUNTO DECIMAL DEBE MOVERSE… a la izquierda entonces n es positivo (+) a la derecha n es negativo (-) entonces NOTACION CIENTÍFICA 568.762 mover decimal a la izquierda n es positivo 568.762 = 5.68762 x 102 0.00000772 mover decimal a la derecha n es negativo 0.00000772 = 7.72 x 10-6 NOTACIÓN CIENTÍFICA 602 200 000 000 000 000 000 000 mover decimal a la izquierda n es positivo 6.022 x 1023 0.000 000 000 000 000 000 000 001 66 mover decimal a la derecha n es negativo 1.66 x 10-24 OPERACIONES CON NOTACIÓN CIENTÍFICA ADICIÓN Y SUSTRACCIÓN 1. Escriba cada cantidad de forma que tengan el mismo exponente n. 2. Combine N1 y N2 sin que cambie el exponente. Ej. 7.4 x 103 + 2.1 x 103 = 9.5 x 103 4.31 x 104 + 3.9 x 103 4.31 x 104 + 0.39 x 104 = 4.70 x 104 OPERACIONES CON NOTACIÓN CIENTÍFICA MULTIPLICACIÓN 1. Multiplique normalmente N1 por N2 2. Luego sume los exponentes. Ejemplo: 3.5 x 104 x 2.0 x 102 = (3.5 x 2.0) x 104+2 = 7.0 x 106 OPERACIONES CON NOTACIÓN CIENTÍFICA DIVISIÓN 1. Divida normalmete N1 entre N2 2. luego reste los exponentes. Ejemplo: 8.5 x 104 = 5.0 x 109 8.5 x 104-9 = 5.0 1.7 x 10-5 CIFRAS SIGNIFICATIVAS EXISTEN DOS CLASES DE NÚMEROS Los números obtenidos al contar o a partir de definiciones son números exactos. Los números obtenidos por medicion, no son exactos. Toda medición involucra un estimado. CIFRAS SIGNIFICATIVAS MEDICIÓN DE LA MASA EN TRES TIPOS DE BALANZA 25 g PRECISIÓN ± 0.01 g ± 0.001 g ± 0.0001 g MEDICIÓN 25.019 g 25.0189 g 25.02 g CIFRAS SIGNIFICATIVAS • Las cantidades medidas deben ser reportadas de tal manera que el número refleje la precisión con la cual la medición fue realizada. • Al expresar una cantidad con el número correcto de cifras significativas, se da por entendido que el último digito es el incierto. • A todos los dígitos reportados, incluido el incierto, se les denomina cifras significativas GUIA PARA DETERMINAR EL NÚMERO DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS Cualquier dígito diferente de cero SIEMPRE es significativo 1.234 kg 4 cifras significativas Los ceros entre dígitos distintos de cero SIEMPRE son significativos. 606 m 3 cifras significativas Los ceros al principio de un numero NUNCA son significativos. Se usan para indicar el lugar del punto decimal. 0.00081 L 2 cifras significativas CIFRAS SIGNIFICATIVAS Si un número es mayor a 1, los ceros a la derecha del punto decimal SIEMPRE son significativos. 2.0 Kg 2 cifras significativas Si un número es menor a 1, los ceros al final del número son significativos. 0.0900 Kg 3 cifras significativas Cuando un numero termina en ceros pero no tiene un punto decimal, los ceros pueden ser ó no significativos. 800 L 1 ó 3 cifras significativas? Esta ambigüedad se elimina usando la científica. 8 x 102 L 1 cifra significativa 8.00 x 102 L 3 cifras significativas notación CIFRAS SIGNIFICATIVAS LAS CONVENCIONES DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS NO APLICAN A “NUMEROS EXACTOS”: SE CONSIDERA QUE LOS NUMEROS EXACTOS TIENEN UN NUMERO INFINITO DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS. Ejemplos: • • • 1 pie 12 pulg (Exactamente) 1 pulg 2.54 cm (Exactamente) CUALQUIER NÚMERO ENTERO ¿Cuántas cifras significativas hay en cada una de las medidas siguientes? 24 mL 2 cifras significativas 3001 g 4 cifras significativas 0.0320 m3 3 cifras significativas 6.4 x 104 moléculas 2 cifras significativas 560 kg 2 ó 3 cifras significativas 17 alumnos Infinitas cifras significativas CIFRAS SIGNIFICATIVAS EN ADICIÓN Y SUSTRACCIÓN EL RESULTADO DE UNA SUMA O RESTA DEBE REPORTARSE CON EL MISMO NÚMERO DE CIFRAS DECIMALES DE LA MEDIDA QUE TENGA EL MENOR NÚMERO DE CIFRAS DECIMALES. CIFRAS SIGNIFICATIVAS EN ADICIÓN Y SUSTRACCIÓN La respuesta no puede tener más dígitos a la derecha del punto decimal que cualquiera de los números originales. 89.332 +1.1 90.432 3.70 -2.9133 0.7867 Después del punto solo hay un decimal redondeo a 90.4 Después del punto hay dos decimales redondeo a 0.79 CIFRAS SIGNIFICATIVAS EN MULTIPLICACIÓN Y DIVISIÓN EL RESULTADO DE UNA MULTIPLICACIÓN O DIVISIÓN DEBE REPORTARSE CON EL MISMO NÚMERO DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS DE LA MEDIDA QUE TENGA EL MENOR NUMERO DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS CIFRAS SIGNIFICATIVAS EN MULTIPLICACIÓN Y DIVISIÓN El número de cifras significativas en el resultado está determinado por el número original que tenga la menor cantidad de cifras significativas. 4.51 x 3.6666 = 16.536366 = 16.5 3 cifras sig. redondeo a 3 cifras sig. 6.8 ÷ 112.04 = 0.0606926 = 0.061 2 cifras sig. redondeo a 2 cifras sig. CIFRAS SIGNIFICATIVAS EN OPERACIONES CON NÚMEROS EXACTOS Se considera que los números de definiciones o los números de objetos tienen una cantidad infinita de cifras significativas. • Calcule el promedio de las siguientes medidas: 6.64, 6.68 y 6.70 Exprese el resultado con el número correcto de cifras significativas 6.64 + 6.68 + 6.70 = 6.67333 = 6.67 3 Como 3 es exacto se considera que tiene infinitas cifras sig. Si un objeto tiene una masa de 5.0 g entonces cual es la masa de 9 de esos objetos. 5.0 x 9 = 45 g REGLAS PARA REDONDEAR Si se desea redondear un numero hasta cierto punto, simplemente se eliminan los dígitos que siguen al ultimo que desea conservarse. Mire el digito que le sigue al último que se va a conservar y…. • si es menor que 5, el digito precedente (el ultimo que se conserva) permanece inalterado. • si es mayor que 5, el digito precedente se incrementa en una unidad. • si es igual a 5, el digito precedente se incrementa en una unidad, si es impar; pero si es par se deja igual. ANÁLISIS DIMENSIONAL (MÉTODO DEL FACTOR UNITARIO) El análisis dimensional es un procedimiento que se usa para la conversión entre unidades. Es una técnica sencilla pero sistemática, útil para resolver problemas numéricos Se basa en la relación que existe entre diferentes unidades que expresan la misma cantidad física Ejemplos: 1 lb = 453.6 g 1 dólar = 100 centavos ANÁLISIS DIMENSIONAL (MÉTODO DEL FACTOR UNITARIO) 1 lb = 453.6 g 1 dólar = 100 centavos Estas equivalencia permiten escribir los siguientes factores de conversión: 1 lb 453.6 g 453.6 g 1 lb 1 dólar 100 centavos 100 centavos 1 dólar Un factor de conversión es una fracción cuyo numerador y denominador son la misma cantidad expresada en unidades distintas. ANÁLISIS DIMENSIONAL La utilidad de los factores unitarios es que permiten efectuar conversiones entre diferentes unidades que miden la misma cantidad: Ejemplo: Convertir 2.46 dólares a centavos. 2.46 dólares = ? centavos 2.46 dólares x 100 centavos = 246 centavos 1 dólar ANÁLISIS DIMENSIONAL Con frecuencia uno debe usar mas de un factor en la solución de un problema. Ejemplo: 2 libras de azúcar cuestan 1.11 dólares. Cuantos dólares cuestan 2500 g de azúcar ? 2500 g azúcar = ? dólares 2 lb = 1.11 dólares 2500 g x 1 lb = 453.6 g 1 lb x 1.11 dólares = 3.06 dólares 453.6 g 2 lb La velocidad del sonido en el aproximadamente 343 m/s. ¿Cuál velocidad en millas por hora? aire es es esta 343 m = ? mi s h Hay que convertir los metros a millas y los segundos a horas: 1 mi = 1609 m 1 hora = 60 min 1 mi 60 s m x x 343 s 1609 m 1 min 60 min x 1h 1 min = 60 s = 767 mi h Una hoja de block tiene un área 0.0616 m2. ¿Cuál es el área de esta hoja en pulg2 ?. 0.0616 m2 = ? pulg2 1 m = 100 cm 1 pulg = 2.54 cm 2 2 100 cm 1 pulg 0.0616 m x x 1 m 2.54 cm 2 2 2 10000 cm 1 pulg 2 0.0616 m 2 x x 95.5 pulg 1 m2 6.452 cm 2 Cálculo de la densidad a partir de la masa y longitud, con análisis dimensional Si un pequeño bloque de litio pesa 1.49 x103 mg y sus lados miden 20.9 mm por 11.1 mm x 11.9 mm. Cual es la densidad del litio en g/cm3 ?. masa Densidad volumen -3 1x10 g 3 1.49 g Masa de litio (g) 1.49x10 mg x 1 mg Volumen de litio (cm3 ) 2.09 cm x 1.11 cm x 1.19 cm 2.76 cm3 1.49 g 3 Densidad del litio 0.540 g/cm 2.76 cm 3 ANALISIS DIMENSIONAL RESUMEN EN ANALISIS DIMENSIONAL, LAS UNIDADES DEBEN ESTAR PRESENTES A LO LARGO DE TODO EL CALCULO. LAS UNIDADES TAMBIEN SE MULTIPLICAN O DIVIDEN (CANCELAN) ENTRE SI. EL ANÁLISIS DIMENSIONAL ES UNA PODEROSA AYUDA PARA CHEQUEAR POSIBLES ERRORES EN EL PROCEDIMIENTO DE UN PROBLEMA. ANALISIS DIMENSIONAL RESUMEN UNO DEBE HACERSE TRES PREGUNTAS: 1- QUE DATOS SE DAN EN EL PROBLEMA ? 2- QUE CANTIDAD Y UNIDAD QUEREMOS OBTENER EN EL PROBLEMA? 3- DE QUE FACTORES DE CONVERSION (EQUIVALENCIA) TENEMOS QUE DISPONER PARA “IR” DE LA UNIDAD DADA A LA UNIDAD DESEADA? USO DE LA CALCULADORA LAS CALCULADORAS GENERALMENTE MUESTRAN MAS CIFRAS DE LAS QUE SON SIGNIFICATIVAS OJO: EN OPERACIONES DE DOS O MAS PASOS, PARA MINIMIZAR ERRORES ORIGINADOS EN EL “REDONDEO”, RETENGA TODOS LOS DIGITOS DESPUES DE CADA PASO Y REDONDEE SOLO LA RESPUESTA FINAL Ejemplo: TENEMOS UNA HOJA DE PAPEL DE ALUMINIO CON UN GROSOR DE 8.0 X 10-5 cm. CUAL ES EL GROSOR EN µm ? 1- SE DA UNA DISTANCIA DE 8.0 X 10-5 cm 2- QUEREMOS µm 3- FACTORES DE CONVERSION A CONSIDERAR: cm m m 102 cm = 1 m ó 1cm = 10-2m µm 106 µm = 1 m ó 1µm = 10-6m ANALISIS DIMENSIONAL Ejemplos: LA DISTANCIA ENTRE ATOMOS DE CARBONO EN UN DIAMANTE ES DE 154 pm CONVIERTA ESTA DISTANCIA EN mm ¿CUAL ES LA MASA EN GRAMOS DE 1.50 GAL DE AGUA? LA DENSIDAD DEL AGUA ES DE 1.00 g/cm3 Información Util : 1 gal = 4 qt 1.0567 qt = 1 L ANALISIS DIMENSIONAL Ejemplos: UNA PERSONA PROMEDIO TIENE UNOS 200 mg DE COLESTEROL POR CADA 100 mL DE SANGRE. SI EL VOLUMEN TOTAL DE SANGRE DE ESTE INDIVIDUO ES 35.0 L ¿CUÁNTOS GRAMOS DE COLESTEROL CONTIENE ESTE INDIVIDUO? LA DOSIS RECOMENDADA DE ELIXOFILINA® , UNA DROGA UTILIZADA PARA TRATAR EL ASMA, ES DE 6 mg POR kg DE “PESO” (DEL PACIENTE). CALCULAR LA DOSIS EN MILIGRAMOS PARA UNA PERSONA DE 150 lb. 1 lb = 453.59 g ANALISIS DIMENSIONAL Ejemplo: EL RADIO DE UN ATOMO DE ALUMINIO ES DE 1.43 Å. CUANTOS ATOMOS DE ALUMINIO SE NECESITARIAN PARA HACER UN COLLAR DE UNA PULGADA DE LARGO? ASUMIR QUE LOS ÁTOMOS SON ESFERICOS 1Å = 1.0 X 10-10 m ANALISIS DIMENSIONAL Ejemplo: EL PAPEL DE ALUMINIO SE VENDE EN LOS SUPERMERCADOS EN LARGOS ROLLOS DE 66 YARDAS POR 12 PULGADAS, CON UN ESPESOR DE 0.00065 PULGADAS. SI LA DENSIDAD DEL ALUMINIO ES 2.70 g/cm3, CALCULAR LA MASA DE UN ROLLO. (Resp: 8.2 x 102 g) ANALISIS DIMENSIONAL Ejemplo: En un punto dado de su orbita, la superficie de la tierra esta a 92.98 millones de millas de la superficie del sol. ¿cuánto le lleva a la luz de la superficie del sol alcanzar la superficie de la tierra? La velocidad de la luz es 3.00 x 108 m/s ANALISIS DIMENSIONAL Ejemplo El volumen de agua de mar en la Tierra es aproximadamente de 330 millones de mi3. Si el agua de mar tiene un 3.5% en masa de cloruro de sodio (NaCl) y una densidad de 1.03 g/mL, cual es la masa aproximada de NaCl, (expresada en toneladas), disuelta en el agua de mar del planeta Tierra? 1 cm = 10-2 m 1 mL = 1 cm3 1 km = 103 m 1 mi = 1.6093 km 1 ton = 2 000 lb 1 lb = 453.6 g ANALISIS DIMENSIONAL El metal magnesio, Mg, puede extraerse del agua de mar mediante un proceso conocido como Dow. Este metal se encuentra en el mar en una proporción de 1.4 g de Mg por kg de agua de mar. La producción anual de Mg en los EU es alrededor de 105 toneladas; si todo este Mg fuera extraído del mar, que volumen de agua de mar, en metros cúbicos, tendría que procesarse? Suponga una densidad de 1.025 g/mL para el agua de mar. 1 cm = 10-2 m 1 ton = 2000 lb 1 mL = 1 cm3 1 lb = 453.6 g 1 kg = 103 g Ejemplo: Un gas a 25ºC llena un recipiente cuyo volumen es de 1.05 x 103 cm3. El gas tiene una masa de 0.03760 g. Cual es la densidad del gas a 25ºC ? Resp: D 3.58 105 g cm3 Cuantas cifras significativas debe tener el volumen del recipiente con el fin de que la densidad calculada tenga 4 cifras significativas ?