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1.1. Introduccin

Unidad 1: Introduccin al estudio de la materia

La qumica est presente en todos los aspectos de nuestra vida, pero qu es la

qumica?La definicin que encontramos en los textos establece que "qumica esel estudio de la materia y los cambios que sta experimenta". En el

diccionario de la Real Academia Espaola, RAE, encontramos la siguiente

definicin:

Qumica: Ciencia que estudia la estructura, propiedades y

transformaciones de la materia a partir de su composicin atmica.

Nos preguntamos entonces, qu es la materia y encontramos "materia es todo

aquello que ocupa un espacio y que tiene una masa". La RAE la define como:

Materia: Realidad espacial y perceptible por los sentidos, que, con la

energa, constituye el mundo fsico.

Diremos entonces que materia es todo lo que podemos percibir mediante nuestros

sentidos, podemos verlo, tocarlo o sentirlo, como por ejemplo el agua, la tierra, el

aire, e incluso lo que no podemos "ver" a simple vista, como las molculas, los

tomos, etc. Se ha demostrado experimentalmente que toda la materia presente

en la tierra proviene de la combinacin de poco ms de 100 sustancias bsicas

denominadas elementos.

Veamos la definicin de algunos trminos:

Sustancia: forma de materia que posee una composicin definida y propiedades

caractersticas, por ejemplo, H2O (agua), CH4 (metano), O2 (oxgeno), N2

(nitrgeno), Ag (plata), Fe (hierro).

Mezcla: combinacin de dos o ms sustancias donde cada una mantiene suspropias caractersticas e identidad qumica. Hay dos tipos de mezclas, las

homogneas, en las que se observa una sola fase como por ejemplo una gaseosa

o una moneda de un sol. La heterogneas, en las que se puede observar las

fases de los componentes, por ejemplo cemento con arena, una porcin de

ensalada o un poco de agua de mar. Las mezclas se pueden separar en sus

componentes mediante mtodos fsicos.
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Elemento: sustancia que no se puede separar en sustancias ms simples,

empleando mtodos qumicos, por ejemplo Fe (hierro), Al (aluminio), N2

(nitrgeno), H2(hidrgeno), O2(oxgeno), O3(ozono).

Compuesto: sustancia conformada por dos o ms elementos diferentes, que se

mantienen unidos qumicamente en proporciones definidas, por ejemplo CO2

(dixido de carbono), CH4 (metano o gas natural), NaCl (sal). Los compuestos

pueden separarse en sus elementos exclusivamente mediante mtodos qumicos.

Cambio fsico: aquel que no alterala estructura ntima de la sustancia slo su

apariencia fsica, por ejemplo:

cuando se congelaun poco de agua, H2O, simplemente cambia del estado

lquido al estado slido, pero en ambos casos sigue siendo agua;

cuando se sublima el hielo seco, CO2, pasa del estado slido al estadogaseoso, pero no cambia su identidad;

cuando se destilauna mezcla de acetona, CH3COOCH3, y agua, cuando la

acetona alcanza su temperatura de ebullicin se evapora hasta que slo

queda agua, pero ambas sustancias mantienen su identidad.

Cambio qumico: aquel que si altera la estructura ntima de la sustancia

causando la prdida de su identidad, por ejemplo:

la electrlisis del agua causa que sta se transforme en oxgeno, O2 e

hidrgeno, H2, dejando de ser agua;

en la combustin del papel, que es principalmente celulosa, (C6H10O5)n,

sta se transforma en dixido de carbono gaseoso, CO2(g) y agua, por lo

que ya no vemos el trozo de papel;

cuando se oxida o corroe un clavo de fierro, Fe, ste se transforma en

Fe2O3, perdiendo su identidad.

Propiedades de la materia: son caractersticas fsicas o qumicas que definen e

identifican una sustancia.

Todas las propiedades pueden medirse y observarse, si la medicin depende de la

cantidad de sustancia, se denomina propiedad extensiva, como por ejemplo la

masa, el volumen, la longitud; mientras que si la medicin no depende de la

cantidad de sustancia se denomina propiedad intensiva, por ejemplola

densidad, la temperatura o la viscosidad.


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Ejercicio 1.1

Imagina que tus amigos y t estn de campamento en la

playa y van a preparar la parrillada para la cena, alencargado de sazonar la carne se le cae el recipiente quecontiene la sal, derramndose toda sobre la arena!! Uno detus amigos afirma entusiastamente "no se preocupen,podemos recuperar la sal!!".

Qu mtodos propondras, especificando si son fsicos oqumicos, para recuperar la sal.

Ejercicio 1.2

Uno de los postres favoritos de muchos nios es lagelatina. Si curioseas la informacin de la caja encontrarsmas o menos lo siguiente:

Ingredientes: Azcar refinada, gelatina, cido fumrico(acidificante), citrato de sodio, colorantes artificiales,vitamina C, saborizantes artificiales y jugo de frutadeshidratado.

Composicin por cada porcin de 5,67 g: calcio: 1,7 g;sodio: 55 mg; vitamina C: 12 mg.

A partir de la informacin de la caja, identifica:

* 1 mezcla

* 1 elemento

* 1 compuesto

* 1 sustancia pura


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1.2. Estados de la Materia


Mas de una vez habrs observado lo que ocurre mientras hierve un poco de agua,

cmo se forman unas burbujas en su interior que luego ascienden a la superficie yse desprende vapor que se disemina en el ambiente. Por otro lado, qu ocurre

cuando colocas unos cubos de hielo en tu vaso con refresco y lo dejas un

momento, su tamao va disminuyendo hasta que desaparecen, verdad?; los

cambios que has observado en estos dos procesos son simplemente la

manifestacion de los tres estados en los que se presenta la materia.

En principio, todas las sustancias pueden existir en los tres estados de agregacin

en que se presenta la materia, slido, lquido o gaseoso. La mayora de

sustancias se presentan en un estado concreto, por ejemplo los metales o las

sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado slido, el alcohol

o el aceite en estado lquido y el oxgeno o el CO2en estado gaseoso.

El estado slido secaracteriza por tenermasa, volumen y formadefinidos. Siempre queno apliquemos fuerzasque lo puedan deformar(como ocurrira consustancias como laplastilina) o romper, laforma de un objetoslido permanece fija,es decir no se puedencomprimir o expandir.

El estado lquido secaracteriza por tenermasa y volumen fijos,pero forma variable. Lassustancias lquidasadoptan la forma delrecipiente que las

contiene. Tampocopueden comprimirse oincrementar suvolumen.

El estado gaseoso secaracteriza por tenermasa fija, pero forma yvolumen variables. Losgases adoptan la formay ocupan todo el

volumen del recipienteque los contiene.
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Las condiciones que presenta nuestra superficie terrestre, permite que slo

algunas sustancias puedan hallarse de forma natural, en los tres estados, como en

el caso del agua.

Tomado de Conocimiento del Medio 6, CEIP Maestro JosSabio http://conocimientosabio6.blogspot.com/2010/12/estados-de-

la-materia.html

Existe un cuarto estado de agregacin, el plasma, que no est presente en

cualquier parte, pero la encontramos por ejemplo en bulbos de luz fluorescente o

las luces de nen. El plasma se halla tambin en el sol y las estrellas, que son

grandes bolas de gases a temperaturas realmente altas. Los plasmas son bastante

parecidos a los gases, pero los tomos son diferentes porque contienen los iones

del elemento y sus electrones libres que han sido arrancados de sus atomos por efecto del calor o la

electricidad.
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1.3. Estructura del tomo


Desde epocas muy remotas existe el inters por conocer la naturaleza de la

materia, podemos encontrar ms informacin al respectoenhttp://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=50&l=so al

ver el siguiente video:

La primera teoria con base cientfica, sobre el tomo es la Teora de Dalton, cuyos postulados

fueron reveladores para su poca (1808):

1.

La materia est formada por partculas muy pequeas llamadas tomos, que sonindivisibles y no se pueden destruir.

2.

Los tomos de un mismo elemento son iguales entre s, tienen su propio peso y

cualidades propias. Los tomos de los diferentes elementos tienen pesos

diferentes.

3. Los tomos permanecen sin divisin, an cuando se combinen en las reacciones

qumicas.

4. Los tomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.

5. Los tomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones

distintas y formar ms de un compuesto.6.

Los compuestos qumicos se forman al unirse tomos de dos o ms elementos

distintos.

La hiptesis de Dalton, tuvo vigencia durante mucho tiempo, en la que se afirmaba que el tomo era

indivisible; sin embargo, los tomos permanecen indivisibles en los fenmenos qumicos simples.

En base a la teora de Dalton se pudo establecer que:

El tomoes la parte ms pequea en que se puede dividir una molcula.

La molculaes la parte ms pequea en que se puede dividir la materia, sin

cambiar sus propiedades naturales.

Investigaciones realizadas poseriormente al trabajo de Dalton, llegaron a lo que

conocemos actualmente:
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El tomo tiene una estructura interna que est formada por partculas an ms

pequeas, llamadas partculas subatmicas: electrones, protonesy

neutrones.

Los protones y los neutrones se encuentran en el interior del ncleoy los

electrones fuera de l.

Las caractersticas principales de estas partculas subatmicas son:

partcula smbolo masa (g) carga (Coulomb) carga

electrn e- 9,1094 x 10-28 - 1,6 x 10-19 - 1

protn p 1,6726 x 10-24 + 1,6 x 10-19 + 1

neutrn n 1,6749 x 10-24 0,00 0

Estudios posteriores han determinados la existencia de otras partculas

subatmicas, tal como se puede observar en el siguiente video:

Observaciones:

Si observamos las masas de las partculassubatmicas veremos que la masa del electrnes aproximadamente 1835 veces ms livianaque el protn o el neutrn.

El ncleo es pequeo, aproximadamente1/1013del volumen total del tomo.Sabemos que las cargas iguales se repelen, sinembargo los protones permanecen dentro delncleo debido a la presencia de los neutrones,elctricamente neutros, que amortiguan yminimizan las repulsionesdentro del ncleo.

Nmero atmico, nmero de masa e istopos

Los tomos de los distintos elementos se identifican por el nmero de protones y

de neutrones que poseen:

Nmero atmico, Z: indica el nmero de protones que se encuentran en el

ncleo del tomo de un determinado elemento. la identidad qumica de un

elemento est determinada por el nmero atmico.


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El ncleo de todos los tomos de un elemento en particular tienen el mismo

nmero de protones, mientras que los tomos de elementos diferentes

tienen distinto nmero de protones en sus ncleos; de esta manera por

ejemplo, todos los tomos de oxgeno tienen ocho protones mientras que todos los

tomos de carbono tienen seis protones en sus ncleos.

Nmero de masa, A: est dado por el nmero total de protones y neutrones

presentes en el ncleo del tomo de un determinado elemento.

A fin de dar mayor nfasis y claridad se suele escribir el nmero atmicocomo

un subndice a la izquierdadel smbolo del elementoy el nmero de masa

como superndice a la izquierdadel smbolo del elemento,tal como se muestra

a continuacin:


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Ejercicio 1.3

El potasio, K, (Z = 19), es un mineral que se encuentra enmuchos alimentos diferentes, ayuda a mantener la presinarterial normal y tambin ayuda a que los msculos,

incluyendo el corazn, se contraigan apropiadamente.

a) Determina cuntos protones, electrones y neutronesestn presentes en un tomo de potasio-41.

b) Escribe su smbolo atmico incluyendo su nmero demasa y nmero atmico.

Los istopos son aquellos tomos que poseen el mismo nmero atmico, Z,

pero tienen diferente nmero de masa, A. Por ejemplo, existen tres istopos del hidrgeno,

tal como se muestra a continuacin:

Para especificar a cul de los istopos nos estamos refiriendo, se escribe el nmero

de masa despus del nombre o del smbolo del elemento, por ejemplo carbono-

12 o C-12. Una muestra de tomos de hidrgeno de existencia natural est

conformada por 99,985 % de H-1 y 0,015 % de H-2, ya que el H-3 no existe de

forma natural. Las propiedades qumicas de los istopos de cualquier elemento son prcticamente

indistinguibles.

Ejercicio 1.4

a) Identifica el o los pares de istopos entre los tomos dadosen la siguiente lista:


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b) Revisa la tabla peridica e identifica el o los elementos quetienen estos istopos.

Importante:

En un tomo neutro se cumple que: # p = # e- entonces Ztambin nos informa sobre el # e-.

Actividad 1.1

Ingresa al link dado a continuacin, donde podrs encontrar, en laprimera pestaa, informacin sobre la historia de los modelosatmicos; luego en la segunda puedes resolver las preguntasplanteadas; en la tercera podrs "construir" tomos y por ltimo enla cuarta pestaa, encontrars un modelo interactivo sobre laestructura electrnica y algunos ejercicios, que te sern tiles unavez estudiada la segunda unidad:

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/ atomo/estructura.htm
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htmhttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/estructura.htm


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1.4. Masa atmica - concepto de mol - masa molar


El nmero de partculas subatomicas (protones, neutrones y electrones) presentes

en el tomo, determinan la masa del mismo. Por lo tanto, conociendo la masa delas partculas subatmicas, podemos determinar la masa de un tomo cualquiera,

como por ejemplo, en el caso del tomo de nitrgeno, :

Masa del tomo de nitrgeno = 7 p x masa protn + 7 n x masa

neutrn + 7 e- x masa electrn

= 7 p (1,673x10-24 g/p) + 7 n (1,675x10-24

g/n) + 7 e-(9,109x10-28g/e-)

= 2,344x10-23g

Como podemos observar, la masa de cada tomo es sumamente pequea, por lo

que resulta imposible trabajar con un slo tomo de cualquier elemento. Sin

embargo, para trabajar en cualquier experimento en el laboratorio, es necesario el

conocer la masa, por ello se estableci el sistema de masa referencial, es decir,

establecer las masas de los elementos en funcin de la masa de otro.

Importante:

Para elegir apropiadamente el patrn dereferencia, se debe tener en cuenta que sea elms abundante.

Mediante convenio internacional se estableci que eltomo de referenciasera el carbono-12, por serel ms abundante en la naturaleza, asignndole unamasa relativa de 12 uma (unidades de masa

atmica).

La unidad demasaatmica,uma, se define comola masa exactamente igual a la doceava (1/12) partede la masa de un tomo de carbono-12.
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Masa atmica promedio

La mayor parte de los elementos se presentan en la naturaleza como una mezcla

de istopos con diferentes abundancias relativas, por ello conocindolas, se puede

determinar la masa atmica promedio del elemento, as por ejemplo:

Problema 1.1

El silicio, que representa el 25 % de la masa de la corteza terrestre,est constituido por una mezcla de tres istopos naturales segn semuestra en la siguiente tabla:

IstopoMasa

(uma)abundanciarelativa (%)

28Si 27,976927 92,23

29Si 28,976495 4,67

30Si 29,973770 3,10

Para determinar la masa atmica promedio se debe tener en

cuenta el aporte en masa de cada istopo segn su abundancia

relativa:

masa atmica promedio = 28,085509 uma

Concepto de mol


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Ejercicio 1.5

Cuntos lpices hay en unadocenade lpices?

Cuntas monedas de 5 soles habr en unmillarde

monedas de 5 soles?

Cuntos IPod hay en una caja que contiene 3 cientos deIpod?

Cuntas mini memory cards hay en una caja que contieneunagruesa*de mini memory cards? (*Revisa la definicin N10 en

http://buscon.rae.es/draeI/SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=gruesa)

Existen otros trminos como docena, millar, ciento, gruesa, etc., que nos

informan sobre la cantidad de objetosa los que nos referimos y que elegimos

segn el nmero de ellos. Como hemos visto, los tomos son partculas

sumamente pequeas y en los objetos que los contienen hay muchsimos de ellos,

por ejemplo la partcula de polvo ms pequea que podemos observar a

simple vista contiene alrededor de 1x1016tomos, por lo tanto, para poder

referirnos a determinada cantidad de ellos, as como de otros "objetos"

microscpicos, necesitamos hacer uso de una unidad cientfica estndar, que se

denomina "mol" y que representa a 6,023x1023

"objetos".

Importante

En el sistema internacional de unidades, SI, el moles la cantidad de una sustancia que contiene tantasentidades elementales (tomos, molculas u otraspartculas), como tomos hay exactamente en 12gramos del istopo de carbono-12.

En otras palabras: un mol es el nmero detomos de 12C que hay en 12 g de dichoistopo.
http://buscon.rae.es/draeI/SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=gruesahttp://buscon.rae.es/draeI/SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=gruesahttp://buscon.rae.es/draeI/SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=gruesa


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El nmero real de tomos de C-12 que se encuentran en 12 g de 12C se

denomina el nmero de Avogrado, NA, en honor al cientfico italiano Amadeus

Avogadro; es decir, el nmero de objetos presentes en un mol:

NA= 6,022 x 1023

Observacin

La masa de un mol de tomos de 12C tiene elvalor de 12 g, numricamente igualal de lamasa de un tomo de 12Cque es de 12 uma,en consecuencia:

La masa de un tomo de unelemento (en uma), esnumricamente igual a la masa(en gramos) de un mol detomosde dicho elemento.

En consecuencia, si la masa de un tomo de hierro, Fe, tiene el valor de 55,85

uma, podemos afirmar que la masa de un mol de tomos de hierro es de

55,85 g, es decir:

55,85 uma 1 tomo de Fe

55, 85 g 1 mol de tomos de Fe

De donde podemos escribir:

Y podemos obtener las siguientes equivalencias:

1 g = 6,022x1023uma

1 uma = 1,661x10-24g


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Problema 1.2

En base a lo estudiado hasta el momento, podemos aplicar el concepto de mol a la

cantidad de partculas presentes en los tomos, por ejemplo, para el tomo de ,

podemos afirmar:

cantidad de # p # n # e-

1 tomo 7 7 7

1 mol de tomos 7 moles 7 moles 7 moles

6,022 x1023 tomos

4,2154 x1024

4,2154 x1024

4,2154 x1024

Problema 1.3

Tal como trabajamos con otras unidades de cantidad, tambinpodemos trabajar con fracciones y mltiplos de mol, as por ejemplo,si tenemos 45 g de silicio, Si, podemos determinar cuntas moles deSi (moles de tomos de Si) tenemos:

Anteriormente determinamos que la masa atmica promedio delSi es 28,055 uma, es decir, la masa de 1 mol de tomos de Siser de 28,055 g, en consecuencia:

Ejercicio 1.6

En una caja de gelatina se observa la siguiente leyenda:

Composicin por cada porcin de 5,67 g: Calcio: 1,7 g;Sodio: 55 mg y Vitamina C: 12 mg

En base a esta informacin determina para el calcio, Ca,(masa atmica = 40 uma):

cuntas moles de calcio estn presentes.


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cuntas moles de electrones estn contenidos en sos

tomos de .cuntos neutrones estn contenidos en esa cantidad de

.

La masa atmica del .

El origen del trmino "mol"?

El trmino "mol" no fue acuado por Avogadro pero su trabajoorigin la unidad que denominamos "mol". Probablemente elprimero en usarlo haya sido Wilhelm Ostwald alrededor de 1900.Es posible que la palabra derive del latin "molus" que significa"pila pequea". Otra fuente indica que el trmino "mol" puedeprovenir del alemn "molekulargewicht". Algunos han sugeridoque proviene del fraccionamiento de la palabra "molcula"; sinembargo, no se conoce el origen real.

Adaptado y tomado dehttp://www.moleday.org
http://www.moleday.org/htdocs/monty.htmlhttp://www.moleday.org/htdocs/monty.htmlhttp://www.moleday.org/htdocs/monty.htmlhttp://www.moleday.org/htdocs/monty.html


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