UNIDAD 3 ASPECTOS FISICOQUIMICOS DE SUSTANCIAS Estoy bien, estudio bien
ASPECTOS FISICOQUIMICOS DE SUSTANCIAS
PRESENTACIÓN DE LA UNIDAD
En la presente unidad el estudiante tendrá la oportunidad de conocer cómo se desarrollaron los modelos atómicos y a partir de ello como se logra explica fenómenos. Por otra parte, se
explica el comportamiento de los conjuntos
atómicos, es decir, sus propiedades termodinámicas.
OBJETIVOS – PROBLEMAS ¿Cómo se producen las reacciones químicas?
¿Qué propiedades macroscópicas se pueden usar para explicar y eventualmente modificar a partir de los modelos de agregación de los componentes de los materiales?
REFERENTES TEÓRICOS
TEORIA ATOMICA En física y química, la teoría atómica es una teoría de la naturaleza de la materia, que afirma que está compuesta por pequeñas partículas llamadas átomos.
La teoría atómica comenzó hace miles de años como un concepto filosófico y fue en el siglo XIX cuando logró una extensa aceptación científica gracias a los descubrimientos en el campo de la estequiometria. Los químicos de la época creían que las unidades básicas de los elementos también eran las partículas fundamentales de la naturaleza y las llamaron átomos (de la palabra griega átomos, que significa "indivisible"). Sin embargo, a finales de aquel siglo, y mediante diversos experimentos con el electromagnetismo y la radiactividad, los físicos descubrieron que el denominado "átomo indivisible" era realmente un conglomerado de diversas partículas subatómicas (principalmente electrones, protones y neutrones), que pueden existir de manera separada. De hecho, en ciertos ambientes, como en las estrellas de neutrones, la temperatura extrema y la elevada presión impide a los átomos existir como tales. El campo de la ciencia que estudia las partículas fundamentales de la materia se denomina físico de partículas. Teoría atómica de Dalton En el período 1803-1808, Jon Dalton, utilizó los dos leyes fundamentales de las combinaciones químicas, es decir: la "Ley de conservación de la masa"(La masa total de las sustancias presentes después de una reacción química es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reacción) y la "Ley de composición constante"(Todas las muestras de un compuesto tienen la misma composición, es decir las mismas proporciones en masa de los elementos constituyentes.)Como base de una teoría atómica.
La esencia de la teoría atómica de la materia de Dalton se resume en tres postulados: 1. Cada elemento químico se compone de partículas diminutas e indestructibles denominadas átomos. Los átomos no pueden crearse ni destruirse durante una reacción química. 2. Todos los átomos de un elemento son semejantes en masa (peso) y otras propiedades, pero los átomos de un elemento son diferentes de los del resto de los elementos. 3. En cada uno de sus compuestos, los diferentes elementos se combinan en una proporción numérica sencilla: así por ejemplo, un átomo de A con un átomo de B (AB), o un átomo de A con dos átomos de B (AB2). La teoría atómica de Dalton condujo a la "Ley de las proporciones múltiples", que establece lo siguiente:
Si dos elementos forman más de un compuesto sencillo, las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento, están en una relación de números enteros sencillos.
TEORÍA ATOMICA DE RUTHEFORD Los experimentos de Thomson sobre los rayos catódicos en campos magnéticos y eléctricos dieron pie al descubrimiento del electrón he hizo posible medir la relación entre su carga y su masa; el experimento de gota de aceite de Millikan proporcionó la masa del electrón; el descubrimiento de la radioactividad (la emisión espontánea de radiación por átomos) fue una prueba adicional de que el átomo tiene una subestructura. Una vez considerado el electrón como una partícula fundamental de la materia existente en todos los átomos, los físicos atómicos empezaron a especular sobre cómo estaban incorporadas estas partículas dentro de los átomos.
El modelo comúnmente aceptado era el que a principios del siglo XX propuso Joseph John Thomson, quién pensó que la carga positiva necesaria para contrarrestar la carga negativa de los electrones en un átomo neutro estaba en forma de nube difusa, de manera que el átomo consistía en una esfera de carga eléctrica positiva, en la cual estaban embebidos los electrones en número suficiente para neutralizar la carga positiva.
MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD Después de realizar sus experimentos con rayos X, Rutherford abandonó la idea del pudín de pasas para proponer su modelo planetario. Según Rutherford, el átomo es un sistema dinámico, con un núcleo de carga positiva y los electrones girando alrededor siguiendo trayectorias circulares y concéntricas a una gran velocidad, de tal modo que se neutralice la fuerza de atracción eléctrica que ejerce el núcleo; por lo tanto los electrones estarían girando alrededor en estado de equilibrio.
MODELO ATOMICO DE BOHR Bohr unió la idea de átomo nuclear de Rutherford con las ideas de una nueva rama de la Ciencia: la Física Cuántica. Así, en 1913 formuló una hipótesis sobre la estructura atómica en la que estableció tres postulados: •
• •
El electrón no puede girar en cualquier órbita, sino sólo en un cierto número de órbitas estables. En el modelo de Rutherford se aceptaba un número infinito de órbitas. Cuando el electrón gira en estas órbitas no emite energía. Cuando un átomo estable sufre una interacción, como puede ser el impacto de un electrón o el choque con otro átomo, uno de sus electrones puede pasar a otra órbita estable o ser arrancado del átomo
PROPIEDADES ATÓMICAS A continuación se resaltan algunas de las propiedades más relevantes de los átomos: Numero Atómico (Z): Indica el número de protones que se encuentran en el núcleo y se representa con la letra Z. En su estado basal el número de protones es igual al número de electrones, por lo que Z también indica el número de electrones que posee el átomo. Numero de Masa (A): El número de masa o másico se representa con la letra A y hace referencia el número de protones y neutrones presentes en el núcleo. Es importante resaltar que la masa del átomo está concentrada en el núcleo y que la masa de electrones es despreciable con la relación al mismo. Masa Atómica: La masa atómica puede ser considerada como la masa total de protones y neutrones en un solo átomo (cuando el átomo no tiene movimiento). La masa atómica está definida como la masa de un átomo, que sólo puede ser de un isótopo a la vez, y no es un promedio ponderado en las abundancias de los isótopos. En el caso de muchos elementos que tienen un isótopo dominante, la similitud/diferencia numérica real entre la masa atómica del isótopo más común y la masa atómica relativa o peso atómico estándar puede ser muy pequeña, tal que no afecta muchos cálculos bastos, pero tal error puede ser crítico cuando se consideran átomos individuales. Para elementos con más de un isótopo común, la diferencia puede llegar a ser de media unidad o más (por ejemplo, cloro). La masa atómica de un isótopo raro puede diferir de la masa atómica relativa o peso atómico estándar en varias unidades de masa. Masa Molecular: La masa molecular relativa es un número que indica cuántas veces mayor es la masa de una molécula de una sustancia con respecto a la unidad de masa molecular, aunque son cosas distintas. La fórmula para calcular es: masa molecular= masa atómica de A * nº de átomos de A + masa atómica de B * nº de átomos de B,... hasta que no queden más átomos diferentes. Número de Avogadro: Cuando tomamos una pequeña cantidad de algún compuesto y la pesamos en una balanza corriente, estamos manipulando un número de átomos individuales, debido a que el peso en gramos de un átomo es sumamente pequeño. Para evitar este problema de hacer cálculos a partir de números muy grandes o muy pequeños, se emplea una unidad llamada mol.
Un mol se define como la cantidad de sustancia que contiene 6.023*1023 partículas, ya sea de un elemento o de un compuesto. En un elemento esta cantidad es equivalente a la masa atómica expresada como gramos. Por ejemplo, en 15.99 gramos de oxigeno hay exactamente 6.023*1023 átomos de oxígeno. A este número se le conoce como Numero de Avogadro. Debido a que fue el Químico Amadeo Avogadro (1776-1856) quien estableció esta regla. ENLACE QUIMICO Se llama enlace químico al conjunto de fuerzas que mantienen unidos los átomos, iones y moléculas cuando forman diferentes agrupaciones estables. TIPOS DE ENLACE QUIMICO La máxima estabilidad para un átomo se consigue cuando este adquiere la configuración del gas noble. Por ello, cuando les es posible, los átomos captan o ceden electrones con el fin de conseguir su estabilidad. Como consecuencia resultan partículas cargadas que reciben de nombre iones. Un ion es la partícula que se obtiene cuando un átomo o grupo de átomos capta o cede electrones con objeto de adquirir la configuración del gas noble. Si un átomo gana electrones queda cargado negativamente y si los cede queda cargado positivamente. Por consiguiente existen 2 tipos de iones: Anión o ion cargado negativamente Catión o ion cargado positivamente ENLACE IONICO Consiste en la unión de iones con cargas de signo contrario, mediante fuerzas de tipo electrostático. ENLACE COVALENTE Consiste en la unión de átomos al compartir uno o varios pares de electrones. Por ejemplo, cuando se forma la molécula de hidrogene H2, cada átomo de H comparte un electrón para formar el enlace. Cabe resaltar el hidrogeno solo posee un electrón.
CLASES DE ENLACE COVALENTE ENLACE COVALENTE APOLAR Este enlace se da cuando las uniones se dan entre átomos iguales, las moléculas no presentan diferencias en su electronegatividad, por lo cual se conocen como Apolares. Ejemplo H2, O2, N2. ENLACE COVALENTE POLAR Cuando los átomos que se enlazan tienen una electronegatividad diferente, en la molécula se establece una zona donde se concentra la mayor densidad electrónica. REACCION QUÍMICA Una reacción química, cambio químico o fenómeno químico, es todo proceso termodinámico en el cual una o más sustancias (llamadas reactivos), por efecto de un factor energético, se transforman en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro. A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas. Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total.
FENÓMENO QUÍMICO Se llama fenómeno químico a los sucesos observables y posibles de ser medidos en los cuales las sustancias intervinientes 'cambian' su composición química al combinarse entre sí. A nivel subatómico las reacciones químicas implican una interacción que se produce a nivel de los electrones de los átomos (enlace químico) de las sustancias intervinientes. En estos fenómenos, no se conserva la sustancia original, se transforma su materia, manifiesta energía, no se observa a simple vista y son irreversibles en su mayoría. La sustancia sufre modificaciones irreversibles, por ejemplo: Un papel al ser quemado no se puede regresar a su estado original. Las cenizas resultantes fueron parte del papel original, y han sido alteradas químicamente.
TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS Nombre
Reacción de síntesis
Descripción Elementos o compuestos sencillos que se unen para formar un compuesto más complejo. La siguiente es la forma general que presentan este tipo de reacciones:
Reacción de descomposición
Reacción de desplazamiento o simple sustitución
Reacción de doble desplazamiento o doble sustitución
Un compuesto se fragmenta en elementos o compuestos más sencillos. En este tipo de reacción un solo reactivo se convierte en zonas o productos.
Un elemento reemplaza a otro en un compuesto.
Los iones en un compuesto cambian lugares con los iones de otro compuesto para formar dos sustancias diferentes.
Representación
Ejemplo
A+B → AB Donde A y B representan cualquier sustancia química.
2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
Un ejemplo de este tipo de reacción es la síntesis del cloruro de sodio: AB → A+B Donde A y B representan cualquier sustancia química.
2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)
Un ejemplo de este tipo de reacción es la descomposición del agua: A + BC → AC + B Donde A, B y C representan cualquier sustancia química. Un ejemplo de este tipo de reacción se evidencia cuando el hierro(Fe) desplaza al cobre(Cu) en el sulfato de cobre (CuSO4): AB + CD → AD + BC Donde A, B, C y D representan cualquier sustancia química. Veamos un ejemplo de este tipo de reacción:
TOMADO DE http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica. Julio 21 de 2012.
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
NaOH + HCl → NaCl + H2O
CAMBIOS FISICOS Esencialmente la materia sufre cambios que no alteran su composición química pero su estado. Los cambios físicos que se presentan en la materia son los siguientes: • • • • •
Sublimación: Es el cambio de solido a gas (Viceversa) sin un estado intermediario. Fusión: Cambio de estado de solido a líquido. Evaporación: Cambio de estado de líquido a gas. Condensación: Cambio de gas a líquido. Solidificación: Cambio de líquido a sólido.
En la siguiente web encontrará una explicación más detallada de cada uno de los cambios de los estados de la materia. http://www3.gobiernodecanarias.org/medusa/contenidosdigitales/programasflash/Agrega/ Primaria/Conocimiento/Cambios_fisicos/index.html
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE DE LA UNIDAD Guía de Aprendizaje No. 3. LOS ÁTOMOS Y LAS REACCIONES QUIMICAS. Foro. Hablemos de Ciencia. Evaluación No.3
RECURSOS PARA EL APRENDIZAJE Computador Acceso a internet
BIBLIOGRAFIA
Química I Santillana. Cesar Humberto Mondragón, Luz Yadira Peña Gómez, Martha Sánchez de Escobar. Bogotá. Ed. Santillana, 2001 http://www.fisicanet.com.ar/fisica/estatica_fluidos/ap05_densidad.php http://www.fisicanet.com.ar/ http://www.wordreference.com/definicion/mol%C3%A9cula http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/tutorial-02.html http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_at%C3%B3mica IUPAC Definition of Standard Atomic Weight http://www.profesorenlinea.cl/fisica/MateriaCambiosFisicos.htm http://www3.gobiernodecanarias.org/medusa/contenidosdigitales/programasflash/Agrega/Pr imaria/Conocimiento/Cambios_fisicos/index.html