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José Mariano Cárdenas MéndezVersión 2008
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ContenidoEstados de la materia (4)Mezclas (8)El agua (15)Disoluciones (23)Concentración de las disoluciones (29)Memoranda (36)Bibliografía (37)
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Estados de la materia
El término estados de la materia se refiere a las formas físicas en las cuales la materia existe: sólido, líquido y gaseoso. También se denomina estados de agregación
Existe el cuarto estado de la materia, llamado plasma, cuya característica esencial es que los átomos están ionizados, debido a temperaturas altas. Por ejemplo, es posible encontrar el estado plasma en los núcleos estelares
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Estados de la materia
• A continuación se muestra una tabla con las características de cada estado de la materia
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Estados de la materia
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Estados de la materia
• Las transformaciones físicas de la materia reciben nombres especiales:
• Sólido → Líquido: FUSIÓN
• Líquido → Sólido: SOLIDIFICACIÓN
• Sólido → Gas: SUBLIMACIÓN
• Gas → Líquido: LICUEFACCIÓN
• Vapor → Líquido: CONDENSACIÓN
• Líquido → Gas: EBULLICIÓN
• Líquido → Vapor: VAPORIZACIÓN
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Mezclas
• La mayor parte de la materia que vemos cotidianamente consiste en mezclas de diferentes sustancias
• Las mezclas son combinaciones de dos o más compuestos en las que cada compuesto conserva su propia identidad química y por ende sus propiedades
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Mezclas
• Existen dos tipos de mezclas
• Mezclas homogéneas: son las mezclas que son uniformes en todos sus puntos, por ejemplo el aire que respiramos, el cual tiene una composición uniforme de 78% de nitrógeno N2, 20% de oxígeno O2 y 2% de otros gases como CO2, Ar, CH4, vapor de agua, etc.
• Mezclas heterogéneas: son las mezclas que no tienen la misma composición, propiedades y aspecto en todos los puntos. Algunos ejemplos de mezclas heterogéneas son la arena, la madera o las rocas.
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Mezclas
Dado que los componentes de una mezcla conservan sus propiedades, es posible separarlos mediante métodos mecánicos o físicos
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Mezclas
• Existen varios métodos físicos de separación de mezclas, algunos de ellos son los siguientes:
• Decantación: Se emplea para separar dos o más líquidos que no se disuelven entre sí (no miscibles) y que tienen diferentes densidades. Por ejemplo aceite y agua
• También para separar las partículas de sólidos insolubles en un líquido y que por su mayor densidad se sedimentan. Por ejemplo limadura de hierro en agua
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Mezclas
Filtración: Se emplea para separar las partículas sólidas insolubles que están en un líquido. Para efectuarla se utiliza un medio poroso que deja pasar el líquido y retiene las partículas de la sustancia sólida.
En el laboratorio se emplea el papel filtro.
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Mezclas
Evaporación: Se emplea para separar un sólido disuelto en un líquido, cuando éste se evapora, la sustancia sólida queda cristalizada.
Por ejemplo, los rayos solares evaporan el agua de mar y se obtiene sal de cocina. En el laboratorio se pone en un vidrio de reloj una solución de yodo en éter, al evaporarse el éter, el yodo se cristaliza
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Mezclas
Destilación: Se utiliza para purificar un líquido al eliminar las sustancia que tenga disueltas o para separar mezclas de líquidos que se disuelven entre sí (miscibles) con diferentes puntos de ebullición, es decir, que hierven a diferente temperatura.
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El agua• El hidrógeno puede formar compuestos con los
elementos de la familia VIA de la Tabla Periódica:
• Obsérvese que se sigue una tendencia específica, a menor masa molecular, disminuye el punto de ebullición y de congelación, sin embargo el agua se sale de esta tendencia y sus puntos de ebullición y congelación son mucho mayores
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El agua
• La mayoría de las propiedades físicas del agua se sale de las tendencias
• A temperatura ambiente es un líquido incoloro, inodoro e insípido
• Disuelve una gran cantidad de sustancias• Su punto de congelación es 0ºC• Su punto de ebullición es 100ºC (a nivel del mar)• Su calor específico es 1 cal / g ºC, es decir, para que un
gramo de agua eleve un grado centígrado su temperatura se necesita una energía de una caloría, por esta razón el agua requiere de mucha energía para hervir o para “calentarse”
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El agua
• A nivel estructural el agua presenta las siguientes características:
• El ángulo entre los enlaces O─H es 104.45º• Es una molécula dipolar, es decir presenta un polo
negativo y un polo positivo
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El agua
• Recordatorio• Ley de las cargas:
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El agua
Debido a que las cargas diferentes se atraen, el polo positivo de una molécula de agua atrae al polo negativo de otra molécula de agua
Esta interacción se denomina puente de hidrógeno
El puente de hidrógeno es una interacción intermolecular, no es un enlace químico
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El agua
Los puentes de hidrógeno son enlaces muy fuertes. Por esta razón, el agua presenta propiedades que se salen de la línea de los compuestos similares (H2S, H2Se y H2Te)
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El aguaDistribución del agua en la Tierra
El 70% de la superficie terrestre es agua
Del agua que hay en el Planeta Tierra:
El 97.5% es agua salada
El 1.74% es hielo en forma de témpanos y nieve
El 0.75% es agua subterránea
El 0.01% es agua de ríos y atmosférica
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El agua
• Usos del agua por sectores
• En el mundo, el sector que usa una mayor cantidad de agua es el sector agrícola, seguido del sector industrial y finalmente el sector doméstico:
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DisolucionesLa mayoría de las reacciones químicas se llevan a cabo en
disoluciones y la mayoría de las reacciones químicas que ocurren en disoluciones, suceden en disoluciones acuosas
Por ejemplo, en la reacción:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
Reaccionan el ácido clorhídrico y el hidróxido de potasio, sin embargo para que puedan reaccionar es indispensable que ambas sustancias se encuentren en disolución acuosa, pues el HCl, cloruro de hidrógeno, es un gas que se licua a –84ºC y el NaOH es una sustancia cristalina que funde a 318ºC, es decir, sin la presencia de agua no reaccionan
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Disoluciones
Todas las disoluciones tienen al menos dos componentes el soluto y el disolvente:
1. Soluto: es el componente que se encuentra en menor proporción
2. Disolvente: es el componente que se encuentra en mayor proporción
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Disoluciones
• Para que una sustancia de disuelva en agua, tiene que cumplir una de dos opciones
• 1. Que la sustancia se disocie en iones.
Muchas sustancias que tienen enlace iónico se disocian en iones en el agua:
• Ejemplos:
• NaCl → Na+ + Cl–
• KOH → K+ + OH– • NH4Cl → NH4
+ + Cl–
• HBr → H+ + Br–
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Disoluciones
• Cuando una sustancia se disocia en iones en agua, ocurre un proceso llamado solvatación
• La solvatación es una interacción entre los iones de la sustancia disociada y las moléculas del disolvente
• En el ejemplo de la siguiente disociación:
• NaCl → Na+ + Cl–
• Los iones sodio y los iones cloro (cloruros) se encuentran rodeados de las moléculas de agua, el cloruro, cuya carga es negativa atrae al polo positivo del agua; y el ion sodio, cuya carga es positiva, atrae al polo negativo del agua (cargas diferentes se atraen)
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Disoluciones
• Solvatación del NaCl en disolución acuosa
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Disoluciones
• 2. La segunda opción que tiene que cumplir una sustancia para disolverse en el agua, es que debe tener el poder de formar puentes de hidrógeno con el agua
• Por ejemplo, el alcohol etílico CH3CH2OH se disuelve en agua, gracias a la formación de puentes de hidrógeno
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Concentración de las disoluciones
La forma más usual de expresar la concentración de una solución es la molaridad
La molaridad se define como la cantidad de sustancia (moles) del soluto por litro de solución. La molaridad se simboliza con la letra M (siempre mayúscula):
Las unidades de la concentración molar son moles / litro (mol / L)
)(
)()(
Vsolucióndelitros
nsolutodemolesMmolaridad
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Concentración de las disoluciones
Ejemplo 1. Cuántos gramos se necesitan para preparar una disolución acuosa 1.5M de NaCl (1.5 moles de NaCl en un litro de agua)
Paso 1. Calcular la masa molecular del cloruro de sodio:
1 átomo de Na = 231átomo de Cl =35.5Total 58.5 g / mol
Paso 2. Calcular cuantos gramos de NaCl hay en 1.5 moles
Entonces se tiene que disolver 87.75 gramos de NaCl en 1 litro de agua para obtener una disolución 1.5M de NaCl
gmol
gmol 75.87
1
5.585.1
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Concentración de las disoluciones
Ejemplo 2. ¿Cuál será la concentración molar de una disolución que se preparó disolviendo 240 gramos de NaOH en 3 litros de agua?
Paso 1. Calcular la masa molecular del hidróxido de sodio:
1 átomo de Na = 231 átomo de O = 161átomo de H = 1Total 40 g / mol
Paso 2. Calcular cuantas moles de NaOH hay en 240 gramos
molg
molg 6
40
1240
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Concentración de las disoluciones
Paso 3. Aplicar la fórmula de la concentración molar para calcular la molaridad de la solución:
La solución de NaOH tiene una concentración 2M (2 molar)
)(
)()(
Vsolucióndelitros
nsolutodemolesMmolaridad
ML
molMmolaridad 2
3
6)(
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Concentración de las disoluciones
Otra forma de expresar la concentración de las disoluciones es el porcentaje en volumen, esta forma de expresar la concentración suele emplearse cuando se mezclan líquidos
100%
disolventedelVolumensolutodelVolumen
solutodelVolumenVolumen
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Concentración de las disoluciones
Ejemplo 1. Se mezcla 800 mL de acetona y 2 litros de agua. ¿Cuál es el porcentaje en volumen de esta disolución?
Solución. Se sustituye los datos en la fórmula, los volúmenes tienen que estar en las mismas unidades (2 L = 2000 mL)
100%
disolventedelVolumensolutodelVolumen
solutodelVolumenVolumen
%57.281002000800
800%
mLmL
mLVolumen
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Concentración de las disoluciones
Ejemplo 2. Una solución, cuyo volumen es de 1.5 litros, contiene 35 % en volumen de alcohol, ¿cuántos mililitros de alcohol hay en la solución?
Solución. Se convierte 1.5 litros a mililitros
Se determina el 35% de 1500 mL
En la disolución hay 525 mL de alcohol
mLL
mLL 1500
1
10005.1
mLmL 525100
351500
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Memoranda
Aprenderse de memoria las características de los gases, líquidos y sólidos
Aprenderse los siguientes conceptos: fusión, solidificación, sublimación, licuefacción, condensación, ebullición, vaporización, mezcla, mezcla homogénea, mezcla heterogénea, puente de hidrógeno, disolución, soluto y disolvente
Aprenderse las fórmulas de concentración molar y de porcentaje en volumen
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BibliografíaBrown T., LeMay E., Bursten B. Química. La ciencia central. Prentice-Hall:
1998
Chemistry. Departament of Chemistry Fundamentals Handbook: 1993 (Versión electrónica)
Fiálkov Yu. Propiedades extraordinarias de las soluciones corrientes. Mir-Moscú: 1985
Guía de cultura del agua. Gobierno del Estado de Guanajuato: 2004
Lehninger A. Bioquímica. Omega: 1985
Novarro A. Mediciones y dimensiones I. 2007 (Versión electrónica)
Rincón Arce A., Rocha León A. ABC de química. Segundo curso. Herrero: 1976
World Water Assessment Programme. UNESCO, 4th World Water Forum: 2006
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