clase01-principios

Química General Facultad Ingeniería y Tecnología Jorge Gatica [email_address]

Arbol familiar de teorías Química cuántica Química teórica Teoría de estructura electrónica Dinámica Mecánica estadística Semiempíricol Teoría de densidad funcional Ab Initio Dinámica Cuántica Dinámica molecular

Química: Principios y aplicaciones En química, la teoría y las aplicaciones se entrelazan como los hilos de un tejido fino. Las aplicaciones de la química, como la misma ciencia, están bajo un cambio constante. El cloro es un buen ejemplo de un químico con muchas aplicaciones. Entender la teoría facilita un mejor manejo del químico (elemento o compuesto).

Comenzando: Algunos conceptos claves Química es el estudio de la composición, estructura y propiedades de la materia y de los cambios que ocurren en la materia. Materia es todo lo que tiene masa y ocupa espacio. Atomos son las unidades distinguibles más pequeñas en una muestra de materia. Moléculas son unidades mayores en las cuales se han reunido dos o más átomos. Compuesto se refiere a los tipos de materia y sus proporciones relativas en una muestra de materia.

Propiedades Propiedades físicas Características desplegadas por una muestra de materia sin experimentar ningún cambio en su composición. Ejemplos: color, olor y conductividad. Propiedades químicas Características desplegadas por una muestra de materia que experimenta un cambio en su composición. Ejemplos: quemado, oxidado y reactivado.

Cambios Cambios físicos Cambios en apariencia pero sin cambio en su composición. Ejemplo: derretimiento de hielo en agua. Cambios químicos Cambios en composición y/o cambios en estructura molecular. Ejemplo: cocina de comida.

Temperatura Medida de lo caliente o frío. Se mide con termómetro . Escalas relativas de temperatura: Escala de uso general: Celsius (centígrada) Unidad: grado Celsius = ºC Se asigna 0 ºC al punto de congelación del agua y 100 ºC a su punto de ebullición. Escala estadounidense de temperatura: Fahrenheit Unidad: grado Fahrenheit = F Se asigna 32 F al punto de congelación del agua y 212 F a su punto de ebullición. Escala absoluta de temperatura: Kelvin Unidad fundamental SI: kelvin = K El menor valor que, teóricamente, se puede alcanzar es cero.

Comparación de escalas de temperatura

F = (1,8 · ºC) + 32 ºC = (F – 32) / 1,8 Nótese que las escalas Celsius y Kelvin tienen unidades de igual tamaño, pero 0 ºC es equivalente a 273,15 K, por lo tanto: K = ºC + 273,15 , o bien, ºC = K – 273,15. Convierta 122,9 F a grados Celsius F = x 0 C + 32 9 5 F – 32 = x 0 C 9 5 x (F – 32) = 0 C 9 5 0 C = x (F – 32) 9 5 0 C = x (122,9 – 32) = 50,5 9 5

Ejercicios Convierta: 451 F 60 F 70 F 80 F 90 F 100 F 111 F 10.000 F Convierta: -60 oC -1 oC 14 oC 24 oC 30 oC 36,5 oC 400 oC 6.000 oC

10 -9 n Nano- 10 -12 10 -15 p f Pico- Femto- 10 -6  Micro- 10 -3 m Mili- 10 -2 c Centi- 10 -1 d Deci- 10 3 K Kilo- 10 6 M Mega- 10 9 G Giga- 10 15 10 12 E T Peta Tera- Cifra Símbolo Prefijo Table Prefijos Usados en SI unidades

Ejercicios Convierta: 1 Megabyte en bits 640 Kbytes 5 Mbytes 80 Gbytes 1 Mbps Convierta: 1.024 bytes 1.048.576 bytes 1.073.741.824 bytes 2.048 bits por segundo 100.000 bits por segundo

Sistemas y prefijos http://en.wikipedia.org/wiki/International_System_of_Units http://en.wikipedia.org/wiki/SI_prefix http:// en.wikipedia.org / wiki / Binary_prefix

Clasificación de la materia Substancia: Tipo de materia con una composición definida, o fija, que no cambia de una muestra a otra. Elemento: Substancia que no puede ser quebrada o fraccionado en substancias más simples por reacción química. Compuesto: Substancia hecha de átomos de dos o más elementos, con los diferentes tipos de átomos combinados en proporciones fijas.

SUSTANCIA PURA es un sistema material homogéneo formado por una sola clase de moléculas. ELEMENTOS son sustancias puras integradas por moléculas homoatómicas. COMPUESTOS son sustancias puras integradas por moléculas o especies heteroatómicos.

Según el número de átomos que las constituyen, las moléculas pueden ser mono-, di- triatómicas, etcétera y, además, homo- (átomos iguales) o hetero-atómicas (al menos dos clases de átomos). mono-atómicas: metales, gases nobles di-atómicas: dihidrógeno, dioxígeno, diflúor, fluoruro de hidrógeno y otras tri-atómicas: ozono, agua, sulfuro de carbono, dióxido de azufre y otras tetra-atómicas: (tetra) fósforo, trihidruro de boro y otras octa-atómicas: octa-azufre, etano y otras

Mezclas Una mezcla no tiene composición fija; su composición podría variar sobre un amplio rango. Una solución es una mezcla que es homogénea , lo que significa que su composición y propiedades son las mismas en todo. Una mezcla heterogénea varía en su composición y/o propiedades desde una parte de la mezcla a otra.

Símbolos químicos Una designación de una o dos letras derivadas del nombre del elemento

Química atómica Primeros descubrimientos químicos Electrones y el núcleo atómico Elementos químicos Masas atómicas Tabla periódica

Primeros descubrimientos Beguin 1615 Primera ecuación química Lavoisier 1774 Ley de conservación de masa Proust 1799 Ley de composición constante Dalton 1803 Teoría atómica

Teoría atómica de Dalton Cada elemento está compuesto de partículas llamadas átomos. Atomos no son creados ni destruidos en las reacciones químicas. Todos los átomos de un elemento dado son idénticos. Compuestos se forman al combinar átomos de varios elementos.

Consecuencias de teoría de Dalton Al formar monóxido de carbono, 1,33 gramos of oxígeno se combinan con 1,0 gramo de carbono. Al formar peróxido de hidrógeno, 2,66 gramos de oxígeno se combinan con 1,0 gramo de hidrógeno. Ley de proporciones definidas: combinaciones de elementos están en razones de pequeños números.

Historia y descubrimiento del electrón La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney , como una unidad de carga en el campo de la electroquímica . El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1905 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge , mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos . Influído por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X , dedujo que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos . Aunque Stoney propuso su existencia, fue Thomson quien descubrió su carácter de partícula fundamental. Para confirmar la existencia era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Esto fue alcanzado por Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909 .

George Paget Thomson , hijo de J.J . Thomson , demostró la naturaleza ondulatoria del electrón al lograr difractar los electrones al atravesar una lámina de metal. Dicho experimento condujo a la aparición de un patrón de interferencia como el que se obtiene en la difracción de ondas como la luz, probando la dualidad onda corpúsculo la mecánica cuántica postulada en 1926 por De Broglie . Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937 .

Same device, one slit open vs. two slits open (Note the 16 fringes.)

El espín del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach . Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro . Seis años antes de los descubrimientos de Thomson, el físico irlandés Stoney había propuesto la existencia de estas partículas, pero no lo había podido comprobar. Como asumía que la partícula tenía carga eléctrica, la denominó electrón. Posteriormente, otros científicos demostraron experimentalmente que estas partículas o electrones, tienen una masa 2000 veces menor que el átomo de hidrógeno.

Propiedades de rayos catódicos Electron m/e = -5.6857 x 10 -9 gramos coulomb -1

Carga del electrón En 1906, Robert Millikan mostró que las gotas de aceite ionizado pueden ser balanceadas contra la caída gravitatoria en un campo eléctrico. La carga es un múltiplo integral de la carga electrónica, e.

carga e - = -1.60 x 10 -19 C Thomson’s carga/masa de e - = -1.76 x 10 8 C/g masa e - = 9.10 x 10 -28 g

Precisión y exactitud en mediciones Precisión se refiere a cuán cercanamente se sitúan las mediciones científicas individuales una con otra. Exactitud se refiere a la cercanía del promedio de un conjunto de mediciones científicas con el valor “correcto” o “más probable”. Errores muestrales ocurren cuando un grupo de mediciones científicas no representan a la población completa de la variable en estudio.

PRECISIÓN Y EXACTITUD LA EXACTITUD INDICA CUÁN CERCA ESTÁ UNA MEDICIÓN DEL VALOR REAL DE UNA CANTIDAD MEDIDA ERROR LA PRECISIÓN INDICA CUÁNTO CONCUERDAN DOS O MÁS MEDICIONES EXPERIMENTALES REALIZADAS EN CONDICIONES IDÉNTICAS. INCERTEZA DESVIACIÓN PRECISIÓN

PRECISIÓN Y EXACTITUD VALOR VERDADERO O ACEPTADO BUENA PRECISIÓN Y EXACTITUD BUENA PRECISIÓN, POCA EXACTITUD POCA PRECISIÓN,BUENA EXACTITUD POCA PRECISIÓN, POCA EXACTITUD

Exactitud – cuán cerca está el valor obtenido del valor real Precisión – cuán reproducibles son los valores obtenidos exactitud & precisión preciso pero no exacto no exacto & no preciso 1.8

Comparación de precisión y exactitud

Análisis de cifras significativas en cálculos 1.- Todos los dígitos son significativos, excepto los ceros a la izquierda del número. 2.- Son significativos los ceros terminales, finalizando a la izquierda del punto decimal. Después del punto decimal, agregar ceros a la derecha no significa. 3.- Multiplicación y División: En la respuesta se da tantas cifras significativas, como hay en la medición con el menor número de cifras significativas. 4.- Adición y sustracción: En la respuesta se da el mismo número de lugares decimales que hay en la medición con el menor número de lugares decimales. Al realizar operaciones aritméticas combinadas, se realiza primero división o multiplicación y luego adición o sustracción, usando el criterio ya mencionado en cada caso.

CUALQUIER DÍGITO DIFERENTE DE CERO ES SIGNIFICATIVO. LOS CEROS UBICADOS ENTRE DÍGITOS DISTINTOS DE CERO SON SIGNIFICATIVOS. LOS CEROS A LA IZQUIERDA DEL PRIMER DÍGITO DIFERENTE DE CERO NO SON SIGNIFICATIVOS. SI UN NÚMERO ES MAYOR DE 1,TODOS LOS CEROS ESCRITOS A LA DERECHA DEL PUNTO DECIMAL CUENTAN COMO CIFRAS SIGNIF. SI EL NÚMERO ES MENOR DE 1,SOLAMENTE LOS CEROS QUE ESTÁN AL FINAL DEL NÚMERO O ENTRE DÍGITOS DIFERENTES DE CERO SON SIGNIF. PARA NÚMEROS SIN PUNTO DECIMAL, LOS CEROS QUE ESTÁN DESPUÉS DEL ÚLTIMO DÍGITO DIFERENTE DE CERO PUEDEN SER O NO SIGNIF. CIFRAS SIGNIFICATIVAS NÚMERO CIFRAS SIGNIFICAT. 1,234 4 40501 5 0.08 1 2.0 2 40.042 5 NÚMERO CIFRAS SIGNIFICAT. 0.0000349 3 0.090 2 0.3005 4 400 1-2-3 4 X 10 2 1 4.0 X 10 2 2 4.00 X 10 2 3 NOT. CIÉNTIFICA : N x 10 n N: 1-10 n: (+ ó - )

Ejercicios: Exprese los siguientes números de acuerdo con la notación científica e indique el número de cifras significativas: - 0,00000000001 1,000001000 21,000100 1004,016 522,216 0,0103

Ejercicios: Indique el número de cifras significativas de las cantidades siguientes: 2,010 · 10 3 7,0 ± 0,1 103 0,16 0,0178 2 “palos” 2 “palos verdes” 2.040.000 2,040 millones

Ejercicios: Realice las siguientes operaciones y exprese el resultado con el número apropiado de cifras significativas: 3,7 + 0,01 + 219 + 1,4857 18,96 – 1,8 4,1876 · 1,12 0,0018 · 2,1 424 · 0,016 5,45 / 12,12 [2,51(20,03 – 0,605)] / 60,5 [(41,27 – 0,414) · 0,0521 · 7,090] / (0,5135 + 0,0009)

Problemas: Un profesor deja caer (libremente) un rodamiento desde el piso 34 de Torre Telefonica. Calcule qué aceleración, velocidad (en [km/hr]) y posición experimenta la partícula a los 0, 1, 2, 4, 6, 8 y 10 segundos. a = g (constante) = 9,8 [m/s 2 ] v = g t z = (g t 2 )/2 Un ayudante de Ingeniería-USS compra un LCD de 37 pulgadas (en proporción aúrea 1,6180339887…) y su padre le regala un rack a la medida para colocarlo. El carpintero pregunta qué dimensiones mínimas (en centímetros) debe tener el estante para colocarlo.

Cifras significativas Todos los dígitos en un número que son conocidos con certeza más el primer dígito incierto. Mientras más dígitos significativos se obtengan, mejor es la precisión de una medición. El concepto de cifras significativas sólo se aplica a mediciones. Los valores exactos tienen un número ilimitado de cifras significativas.

Reglas para ceros en cifras significativas Ceros entre dos dígitos significativos son significativos. Un solo cero precediendo un punto decimal no es significativo (sólo se pone por cosmética) Ceros entre el punto decimal y el primer dígito no cero no son significativos. Ceros al final de un número son significativos si ellos están a la izquierda de un punto decimal. Ceros al final de un número podría o no ser significativo si el número está escrito sin un punto decimal.

Reglas para cálculo con cifras significativas Una cantidad calculada no puede ser más precisa que los datos usados en el cálculo y los resultados reportados deberían reflejar este hecho. En multiplicación y división, los resultados informados no deberían tener más cifras significativas que el factor con las menores cifras significativas. En adición y sustracción, el número de cifras significativas a la derecha del punto decimal se determina por el número con el menor de estos dígitos y los otros números redondeados equivalentemente.

Redondeo de números Si el dígito a ser descartado es menor que 5, entonces el dígito final remanente queda inalterable . Si el dígito a ser descartado es igual o mayor que 5, entonces el dígito final remanente se incrementa en uno.

Radioactividad Radioactividad es la emisión espontánea de la radiación desde una sustancia. Rayos X y rayos  son luz de alta energía. Partículas  son un flujo de núcleos de helio, He 2+ . Partículas  son un flujo de electrones de alta velocidad que se originan en el núcleo.

El núcleo atómico Geiger y Rutherford 1909

El experimento de la partícula  Mucha de la masa y toda la carga positiva se concentra en una región pequeña llamada el núcleo. Hay tantos electrones fuera del núcleo como unidades de carga positiva en el núcleo.

Método científico Hipótesis, modelos, teorías y leyes Una teoría científica o ley representa una hipótesis o grupo de hipótesis relacionadas que se han confirmado a través de repetidas pruebas experimentales. Las teorías en ciencias naturales a menudo son formuladas en términos de pocos conceptos y ecuaciones que son identificadas con “leyes de la naturaleza”, sugiriendo su aplicabilidad universal.

Método científico – Rutherford + 98% de las partículas pasó 2% pasó pero con mucha deflactación -0.01% rebotó hacia la lámina emisora

Método científico – Rutherford

Método científico Las teorías científicas aceptadas y las leyes han pasado a ser parte integral de nuestro entendimiento y las bases para explorar áreas del universo. Una teoría no es descartable fácilmente y se tiende a asumir que los nuevos descubrimientos encajarán en el marco existente. Solamente cuando –después de repetidas pruebas experimentales independientes- el nuevo fenómeno no es inserto en la teoría, los científicos cuestionan su validez y tratan de modificarla. La validez que se asocia a una teoría científica como realidad representante del mundo contrasta con la descalificación implícita en la frase: “es sólo una teoría”. Los cambios en el pensamiento científico y las teorías ocurren, por supuesto, a veces revolucionando nuestra visión del mundo (Kuhn, 1962). De nuevo, la fuerza clave para el cambio es el método científico y su énfasis en la experimentación.

El núcleo atómico Rutherford protones 1919 James Chadwick neutrones 1932

Nahum Joel haciendo teatro frente a un juguete nuevo

Participantes extranjeros del Curso Latinoamericano de Cristalografía admirándose con la cámara de difracción de electrones

Mostrando las novedades a don Julio Garrido: Oscar Wittke, Hugo Villarroel, Julio Garrido, Isabel Garaycochea

Estructura nuclear Diámetro atómico 10 -8 cm Diámetro n uclear 10 -13 cm Partícula Masa Carga kg amu Coulombs ( e ) Electron 9.1 09 x 10 -31 0.000548 – 1.602 x 10 -19 – 1 Proton 1.673 x 10 -27 1.00073 +1.602 x 10 -19 +1 Neutron 1.6 75 x 10 -27 1.00087 0 0 1 Å

Escala de átomos Unidades útiles 1 amu (atomic mass unit) = 1.66054 x 10 -24 kg 1 pm (picómetro) = 1 x 10 -12 m 1 Å (Angstrom) = 1 x 10 -10 m = 100 pm = 1 x 10 -8 cm El átomo más pesado tiene una masa de sólo 4.8 x 10 -22 [gramos] y un diámetro de sólo 5 x 10 -10 [metros]. Mayor átomo pesa 240 amu y mide 50 Å a través. Típica longitud de enlace C-C 154 pm (1.54 Å )

Isótopos, números atómicos y números másicos Para representar un átomo particular: A= número másico Z = número atómico

La tabla periódica Metales alcalinos Tierras alcalinas Metales de transición Halógenos Gases nobles Lantánidos and Actínidos Grupo principal Grupo principal

La tabla periódica Leer masas atómicas Leer los iones formados por los principales grupos de elementos Leer la configuración electrónica Aprender las tendencias en propiedades físicas y químicas

Litio natural está: 7.42% 6 Li (6.015 uma) 92.58% 7 Li (7.016 uma) = 6.941 uma Masa atómica promedio de litio: 7.42 x 6.015 + 92.58 x 7.016 100

Número atómico (Z) = número de protones en un nucleo Número másico (A)= número de protones+ número de neutrones = número atómico + número de neutrones Isótopos son átomos de un mismo elemento (X) con diferente número de neutrones en el núcleo X A Z H 1 1 H (D) 2 1 H (T) 3 1 U 235 92 U 238 92 Número másico Número atómico Símbolo del elemento

Carbono El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C . Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante. Se conocen cinco formas alotrópicas del carbono, además del amorfo: grafito, diamante, fulerenos, nanotubos y carbinos. En 2004 se anunció el descubrimiento de una sexta forma alotrópica: las nanoespumas. La forma amorfa es esencialmente grafito, pero no llega a adoptar una estructura cristalina macroscópica. Es pilar básico de la química orgánica: forma parte de todos los seres vivos conocidos. Se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando en 500 mil compuestos por año.

¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 14 6 ?

6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 14 6 ?

6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 14 6 ? ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 11 6 ?

6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones 6 protones, 5 (11 - 6) neutrones, 6 electrones ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 14 6 ? ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 11 6 ?

Period Group Alkali Metal Noble Gas Halogen Alkali Earth Metal

Un ion es un átomo, o grupo de átomos, que tienen carga positiva o carga negativa. catión – ion con carga positiva un átomo neutral, puede transformarse en catión si pierde uno o más electrones. anión – ion con carga negativa un atomo neutro, se puede transformar en anión, si gana uno o más electrones. Na 11 protones 11 electrones Na + 11 protones 10 electrones Cl 17 protones 17 electrones Cl - 17 protones 18 electrones

un ion monoatómico contiene solamente un átomo Un ion poliatómico contiene mas de un átomo Na + , Cl - , Ca 2+ , O 2- , Al 3+ , N 3- OH - , CN - , NH 4 + , NO 3 -

13 protones, 10 (13 – 3) electrones 34 protones, 36 (34 + 2) electrones Ejercicios 2.5 ¿Cuántos protones y electrones existen en: Al 27 13 ? 3 + ¿Cuántos protones y electrones existen en : Se 78 34 2- ?

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