1 © 2006 Brooks/Cole - Thomson Chemistry and Chemical Reactivity 6th Edition John C. Kotz Paul M....

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© 2006 Brooks/Cole - Thomson

Chemistry and Chemical Reactivity 6th Edition

John C. Kotz Paul M. Treichel

Gabriela C. Weaver

CHAPTER 1

Matter and Measurement


Lectures written by John Kotz

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Bienvenidos al Bienvenidos al mundo de la mundo de la

QuímicaQuímica

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El Lenguaje de la El Lenguaje de la QuímicaQuímicaEl Lenguaje de la El Lenguaje de la QuímicaQuímica

• ELEMENTOS QUÍMICOSELEMENTOS QUÍMICOS - - – Sustancias puras que no pueden ser Sustancias puras que no pueden ser

descompuestas por medios ordinarios a otras descompuestas por medios ordinarios a otras sustancias.sustancias.

SodioBromo

Aluminio

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Aluminio + BromoAluminio + Bromo

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El Lenguaje de la El Lenguaje de la QuímicaQuímicaEl Lenguaje de la El Lenguaje de la QuímicaQuímica

• Los elementos, sus Los elementos, sus nombres y símbolos nombres y símbolos

están dados en la están dados en la TABLA TABLA PERIODICAPERIODICA

• ¿Cuántos elementos ¿Cuántos elementos hay allí?hay allí?

• 116 116 elementoselementos

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La Tabla PeriódicaLa Tabla Periódica

Dmitri Mendeleev (1834 - 1907)Dmitri Mendeleev (1834 - 1907)

8


Glenn Glenn SeaborgSeaborg

(1912-1999 )(1912-1999 )• Descubrió 8 Descubrió 8

nuevos nuevos elementos.elementos.

• La única La única persona que persona que vivía en honor vivía en honor a la cual se a la cual se nombró un nombró un elemento.elemento.

9


Átomos de Átomos de cobre en cobre en una una superficie superficie de silice.de silice.

Vea el CD-Vea el CD-ROM ROM Screen 1.4Screen 1.4

• Un Un átomoátomo es la partícula más pequeña es la partícula más pequeña de un elemento que aún retiene las de un elemento que aún retiene las propiedades del elemento químico.propiedades del elemento químico.

Distancia entre = 1.8 nanometer (1.8 x 10-9 m)

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Un átomo consiste de Un átomo consiste de

• nucleonucleo

– (de (de protonesprotones y y neutronesneutrones) )

• electroneselectrones en el espacio alrededor del núcleo. en el espacio alrededor del núcleo.

El El ÁtomoÁtomo

Nube electrónicaNube electrónica

NúcleoNúcleo

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El compuesto rojo está El compuesto rojo está formado por:formado por:• • niquél (Ni) (plata)niquél (Ni) (plata)• • carbono (C) (negro)carbono (C) (negro)• hidrógeno (H) (blanco)• hidrógeno (H) (blanco) • • oxígeno (O) (rojo)oxígeno (O) (rojo)• • nitrógeno (N) (azul)nitrógeno (N) (azul)

El compuesto rojo está El compuesto rojo está formado por:formado por:• • niquél (Ni) (plata)niquél (Ni) (plata)• • carbono (C) (negro)carbono (C) (negro)• hidrógeno (H) (blanco)• hidrógeno (H) (blanco) • • oxígeno (O) (rojo)oxígeno (O) (rojo)• • nitrógeno (N) (azul)nitrógeno (N) (azul)

COMPUESTOS QUÍMICOSCOMPUESTOS QUÍMICOSestán compuestos de átomos y por tantoestán compuestos de átomos y por tantopueden ser descompuestos en talespueden ser descompuestos en talesátomos.átomos.

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Una Una MOLÉCULAMOLÉCULA es la unidad más es la unidad más pequeña de un compuesto que aún pequeña de un compuesto que aún retiene las características químicas del retiene las características químicas del compuesto.compuesto.La composición de una molécula está dada por La composición de una molécula está dada por

su su FORMULA MOLECULARFORMULA MOLECULAR

HH22OO CC88HH1010NN44OO22 - cafeína - cafeína

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Elementos de Elementos de CompuestosCompuestos

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La Naturaleza de la La Naturaleza de la MateriaMateria

La Naturaleza de la La Naturaleza de la MateriaMateria

Los químicos están interesados en la naturaleza de Los químicos están interesados en la naturaleza de la materia y como esto se relaciona a sus átomos y la materia y como esto se relaciona a sus átomos y moléculas constituyentes.moléculas constituyentes.

OroOro MercurioMercurio

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GrafitoGrafito — la — la estructura estructura es una capa es una capa de átomos de átomos de carbono de carbono que refleja que refleja ciertas ciertas propiedades propiedades físicas.físicas.

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Química y Química y MateriaMateria

• Podemos explorar el muno Podemos explorar el muno MACROSCOPICO MACROSCOPICO — lo que podemos — lo que podemos ver — ver —

• Para entender el mundo Para entender el mundo PARTICULADOPARTICULADO que no podemos ver. que no podemos ver.

• Escribimos Escribimos SÍMBOLOSSÍMBOLOS tpara describir tpara describir estos mundos.estos mundos.

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El punto El punto de vista de vista químico químico

de la de la materia.materia.

18


El punto de El punto de vista químico vista químico

de la de la materia.materia.

H2O (gas, liquido, sólido)

MacroscópicoMacroscópicoMacroscópicoMacroscópico

SimbólicoSimbólicoSimbólicoSimbólicoParticuladoParticuladoParticuladoParticulado

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El punto de El punto de vista vista

químicoquímico

2 H2(g) + O2 (g) 2 H2O(g)

MacroscópicoMacroscópicoMacroscópicoMacroscópico

SimbólicoSimbólicoSimbólicoSimbólicoParticuladoParticuladoParticuladoParticulado

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La Naturaleza CinéticaLa Naturaleza Cinéticade la Materia.de la Materia.

La Naturaleza CinéticaLa Naturaleza Cinéticade la Materia.de la Materia.

La materia consiste de átomos y La materia consiste de átomos y moléculas en movimiento..moléculas en movimiento..

21


ESTADOS DE LA ESTADOS DE LA MATERIAMATERIA


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ESTADOS DE LA ESTADOS DE LA MATERIAMATERIA• SÓLIDOSSÓLIDOS — tienen forma rígida y volumen — tienen forma rígida y volumen

fijo. La forma externa puede reflejar los fijo. La forma externa puede reflejar los arreglos átomicos y moleculares.arreglos átomicos y moleculares.– Bastante bien entendido.Bastante bien entendido.

• LÍQUIDOSLÍQUIDOS — no tienen forma fija y pueden — no tienen forma fija y pueden no llenar completamente un envase. no llenar completamente un envase. – No bien entendido.No bien entendido.

• GASESGASES — se expanden para llenar un — se expanden para llenar un envase. envase. – Buen entendimiento teórico.Buen entendimiento teórico.

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PropiedadePropiedades Físicass Físicas

¿Qué son propiedades ¿Qué son propiedades físicas?físicas?

• colorcolor

• Punto de fusión y Punto de fusión y ebullición.ebullición.

• Olor.Olor.

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Cambios FísicosCambios FísicosAlgunos Algunos cambios físicos cambios físicos podrián ser:podrián ser:

• Punto de ebulliciónPunto de ebullición

• Derretir un sólido.Derretir un sólido.

• Disolver un sólido en un Disolver un sólido en un líquido para producir una líquido para producir una mezcla homógenea — mezcla homógenea — una SOLUCIÓN.una SOLUCIÓN.

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DENSIDADDENSIDAD – una – una propiedad física importante propiedad física importante y útil.y útil.

Mercury

13.6 g/cm13.6 g/cm33 21.5 g/cm21.5 g/cm33

Aluminum

2.7 g/cm2.7 g/cm33

Platinum

= masa/volumen

3(

)(

cmvolumen

gmasaDensidad

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Densidades Relativas de los ElementosDensidades Relativas de los Elementos

27


ProblemaProblema Un pedazo de cobre tiene Un pedazo de cobre tiene una masa de 57.54 g. Mide 9.36 cm de una masa de 57.54 g. Mide 9.36 cm de largo, 7.23 cm ancho, y 0.95 mm thick. largo, 7.23 cm ancho, y 0.95 mm thick. Calcule su densidad (g/cmCalcule su densidad (g/cm33).).

Density mass (g)volume (cm3)

Density mass (g)volume (cm3)

28


Estrategia

1. Escribir las dimensiones en unidades comunes.

2. Calcular volumen en centímetros cúbicos.

3. Calcular la densidad.

29


Estrategia




0.95 mm • 1cm

10 mm = 0.095 cm

30


Estrategia




0.95 mm • 1cm

10 mm = 0.095 cm

31


Estrategia




0.95 mm • 1cm

10 mm = 0.095 cm

Note dos cifras significativas

32


Estrategia




0.95 mm • 1cm

10 mm = 0.095 cm

57.54 g

6.4 cm3 = 9.0 g / cm3

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DENSIDADDENSIDADDENSIDADDENSIDAD• Densidad es una Densidad es una

propiedad propiedad INTENSIVAINTENSIVA de la de la materia.materia.–NONO depende en la depende en la

cantidad de materia.cantidad de materia.– temperaturatemperatura

• Contraste con Contraste con EXTENSIVAEXTENSIVA–depende en depende en

cantidad de materia.cantidad de materia. –masa y volumen.masa y volumen.

StyrofoamStyrofoam LadrilloLadrillo

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DENSIDADDENSIDADDENSIDADDENSIDAD• Densidad es una Densidad es una

propiedad propiedad INTENSIVAINTENSIVA de la de la materia.materia.–NONO depende en la depende en la

cantidad de materia.cantidad de materia.– temperaturatemperatura

• Contraste con Contraste con EXTENSIVAEXTENSIVA–depende en depende en

cantidad de materia.cantidad de materia. –masa y volumen.masa y volumen.

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PROBLEMA: Mercurio (Hg) tiene una PROBLEMA: Mercurio (Hg) tiene una densidad de 13.6 g/cmdensidad de 13.6 g/cm33. ¿Cuál es la . ¿Cuál es la masa de 95 mL of Hg en gramos? ¿En masa de 95 mL of Hg en gramos? ¿En libras?libras?

PROBLEMA: Mercurio (Hg) tiene una PROBLEMA: Mercurio (Hg) tiene una densidad de 13.6 g/cmdensidad de 13.6 g/cm33. ¿Cuál es la . ¿Cuál es la masa de 95 mL of Hg en gramos? ¿En masa de 95 mL of Hg en gramos? ¿En libras?libras?

Resuelva usando Resuelva usando ANALISISANALISISDIMENSIONAL.DIMENSIONAL.

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EstrategiaEstrategia1.1. Use densidad para calcular masa (g) a partir del volumen.Use densidad para calcular masa (g) a partir del volumen.2.2. Convierta masa (g) a masa (lb)Convierta masa (g) a masa (lb)

Debe conocer el factor de conversiónDebe conocer el factor de conversión= 454 g / 1 lb= 454 g / 1 lb

PROBLEMA: Mercurio (Hg) tiene una PROBLEMA: Mercurio (Hg) tiene una densidad de 13.6 g/cmdensidad de 13.6 g/cm33. ¿Cuál es la masa de . ¿Cuál es la masa de 95 mL of Hg?95 mL of Hg?


Primero, note que Primero, note que 1 cm1 cm33 = 1 mL = 1 mL

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1.1. Convierta volumen a masaConvierta volumen a masa

1.3 x 103 g • 1 lb

454 g = 2.8 lb

2.2. Convierta masa(g) a masa en (lb)Convierta masa(g) a masa en (lb)

( 95 cm3 )(13.6 g/cm3) = 1.3 x 103 g



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Propiedades Químicas y Propiedades Químicas y Cambios QuímicosCambios Químicos

• Cambio Químico o Reacción QuímicaCambio Químico o Reacción Química — — transformación de uno o más átomos o transformación de uno o más átomos o moléculas a una o más moleculas diferentes.moléculas a una o más moleculas diferentes.

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Tipos de Observaciones y Tipos de Observaciones y MedidasMedidas

• Hacemos observaciones Hacemos observaciones CUALITATIVASCUALITATIVAS de reacciones — de reacciones — cambios en color y estado físico.cambios en color y estado físico.

• Tabién hacemos medidas Tabién hacemos medidas CUANTITATIVASCUANTITATIVAS, que , que envuelven envuelven números.números.

• Use Use SI unitsSI units — basadas en el — basadas en el sistema métrico.sistema métrico.

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41


UNIDADES DE MEDIDASUNIDADES DE MEDIDAS

Use Use unidades SIunidades SI — basadas — basadas en el sistema métricoen el sistema métrico

Longitud Longitud

MasaMasa

TiempoTiempo

TemperaturaTemperatura

Metro, mMetro, m

Kilogramo, kgKilogramo, kg

Segundo, sSegundo, s

Grados Celsius, ˚CGrados Celsius, ˚CKelvins, KKelvins, K

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UNIDADES DE MEDIDASUNIDADES DE MEDIDAS

Use Use unidades SIunidades SI — basadas — basadas en el sistema métricoen el sistema métrico

Cantidad Cantidad

CorrienteCorriente

LuminosidadLuminosidad

VelocidadVelocidad

Mol, molMol, mol

Amperio, AAmperio, A

Candela, cdCandela, cd

Metros/segundoMetros/segundo

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Unidades de Unidades de LongitudLongitud

• 1 kilometro (km) = ? metros (m)1 kilometro (km) = ? metros (m)

• 1 metro (m) = ? centímetros (cm)1 metro (m) = ? centímetros (cm)

• 1 centimetro (cm) = ? millimetros (mm)1 centimetro (cm) = ? millimetros (mm)

• 1 nanometero (nm) = 1.0 x 101 nanometero (nm) = 1.0 x 10-9-9 meter meter

Distancia O—H =Distancia O—H =9.58 x 109.58 x 10-11 -11 mm9.58 x 109.58 x 10-9 -9 cmcm0.0958 nm0.0958 nm

Distancia O—H =Distancia O—H =9.58 x 109.58 x 10-11 -11 mm9.58 x 109.58 x 10-9 -9 cmcm0.0958 nm0.0958 nm

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Longitud

• Unidad SI: metro (m)

• 1 kilometro = 1,000 metros = 0.62137 millas

• 1 metro = 100 centimetros

• 1 centimetro = 10 milímetros

• 1 nanometro = 1.00 x 10-9 metros

• 1 picometro = 1.00 x 10-12 metros

• 1 pulgada = 2.54 centimetros

• 1 Ångstrom = 3.00 x 10-10 metros

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Masa

• Unidad SI: kilogramo (kg)

• 1 kilogramo = 1.000 gramo

• 1 gramos = 1.000 miligramo

• 1 libra = 453.59237 gramos = 16 onzas

• 1 ton = 2000 libras

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Volumen

• Unidad SI: metro cúbico (m2)

• 1 litro (L) = 1.00 x 10-3 m3 = 1,000 cm3 = 1.056710 cuartos

• 1 galón = 4.00 cuartos

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Energía

• Unidad SI: 1 Kg-m2/s2 = 0.23901 calorías

• 1 caloría = 4.184 Joules

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Presión

• Unidad SI: Pascal (Pa)

• 1 Pascal = 1 N/m2 = 1 Kg/m-s2

• 1 atmósfera = 101.325 kilopascales = 760 mmHg = 760 torr = 14.70 lb/pulg2 = 1.01325 bar

• 1 bar = 105 Pa

49


Temperatura

• Unidad SI: Kelvin (K)

• 0 K = --273.15 oC

• oK = oC + 273.15 oC

• ? oC = (5oC/9 oF)(oF – 32oF)

• ? F = (9oF/5 oC)oC + 32 oF

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Tabla de Prefijos

FACTOR PREFIJO SIMBOLO FACTOR PREFIJO SIMBOLO

1018

1015

1012

109

106

103

102

10

Exa

Peta

Tera

Giga

Mega

Kilo

Hecto

Deca

E

P

T

G

M

k

h

d

10-1

10-2

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

10-18

Deci

Centi

Mili

Micro

Nano

Pico

Femto

Atto

d

c

m

μ

n

p

f

a

51


Escalas de Escalas de TemperaturaTemperatura

• FahrenheitFahrenheit

• CelsiusCelsius

• KelvinKelvin

Anders Celsius1701-1744

Lord Kelvin(William Thomson)1824-1907

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Notie que 1 grado kelvin = 1 grado Celsius1 grado kelvin = 1 grado Celsius

Punto de Punto de ebullición del ebullición del aguaagua

Punto de Punto de congelación congelación del aguadel agua

CelsiusCelsius

100 ˚C100 ˚C

0 ˚C0 ˚C

100˚C100˚C

KelvinKelvin

373 K373 K

273 K273 K

100 K100 K

FahrenheitFahrenheit

32 ˚F32 ˚F

212 ˚F212 ˚F

180˚F180˚F

Escalas de TemperaturaEscalas de Temperatura

53


Escalas deEscalas deTemperatuTemperatu

ra ra 100 100 ooFF38 38 ooCC311 K311 K

oF oC K

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Cálculos Usando Cálculos Usando TemperaturaTemperatura

•Generalmente se requiere temp en Generalmente se requiere temp en kelvinskelvins

•T (K) = t (˚C) + 273.15T (K) = t (˚C) + 273.15

•Temperatura corporal = 37 ˚C + 273 = 310 KTemperatura corporal = 37 ˚C + 273 = 310 K

•Nitrógeno Líquido = -196 ˚C + 273 = 77 KNitrógeno Líquido = -196 ˚C + 273 = 77 K

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56


Problemas de práctica de Kotz

1.1 Elementos

Empleando la Tabla Periódica encuentre :

a. Los nombres de los elementos que tienen los símbolos Na, Cl, y Cr

b. Los símbolos para los elementos zinc, níquel y potasio.

57


Problemas de práctica de Kotz

1.2 Propiedades Físicas

Identifique tantas propiedades físicas en la Tabla 1.1 como sea posible para las siguientes ustancias comunes: a) hierro, b) Agua, c) sal de mesa (nombre químico cloruro de sodio) y d) oxígeno.

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Hierro

Agua

Sal de Mesa

Oxígeno

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Problemas de Práctica de Kotz

1.3 Densidad

La densidad del aire seco es 1.18 x 10-3 g/cm3 (= 0.00118 g/cm3. ¿Qué volumen de aire en centímetros cúbicos tiene una masa de 15.5 g?

60



1.4 Temperatura

El nitrógeno líquido hierve a 77oK. ¿Cuál es esta temperatura en grados Celcius?

61



1.5 Densidad y Temperatura

(a) La densidad del aire a 0oC (y presión de 1 atm) es 1.293 x 10-3 g/cm3. ¿Cuál es la densidad del aire a esta temperatura en gramos por litro?

(b) La densidad de mercurio a 0oC es 13.595 g/cm3 y a 20oC es 13.546 g/cm3. Estime la densidad el merucrio a 30oC.

62



1.6 Reacciones químicas y cambios físicos

En un campamento en las montañas se hierve una olla de agua al fuego. ¿Qué cambios químicos y físícos se realizan en este proceso?

63



1.7 Mezclas y Sustancias Puras

La foto al margen muestra mezclas en los vasos de precipitados. ¿Cuál de ellas es homógenea y cual es heterogenea? ¿Cuál de ellas e suna solución?

64



1.8 Interconversión de unidades de longitud

Las páginas de un libro de texto típico miden 25.3 cm de largo y 21.6 cm de ancho. ¿Cuál es us longitud en metros? ¿En milímetros? ¿Cuál es el área de la página en centímtero cuadrados? ¿En metros cuadrados?

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1.9 Uso de la densidad

Una hoja de platino es un cuadrado de 2.50 cm en cada lado con masa de 1.656 g. La densidad del platino es 21.45 g/cm3. ¿Cuál es el espesor de la hoja d eplatino en milímetros?

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1.10 Volumen

(a) Una botella de vino normal tiene un volumen de 750 mL. ¿A cuántos litros equivale esto? ¿A cuántos decilitros?

(b) Un galón estadounidense equivale a 3.7865 L. ¿Cuántos litros contiene un cartón de leche de 2 qt? (Un galón = 4 qt). ¿Cuántos decímetros cúbicos?

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1.11 Masa y Densidad

(a) La masa de aspirina en una tableta normal es 125 mg. Calcule su masa en gramos y en kilogramos.

(b) La densidad de oro es 19, 320 kg/m3. ¿A cuánto equivale esta densidad en g/cm3?

(c) La densidad de platino es 21, 450 g/cm3. ¿Qué masa en gramos tiene un pedazo de un cilindro de platino de 3.0 cm de largo con diámtro de 5.0 mm?

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1.12 Error, Precisión y Exactitud

Dos estudiantes miden el punto de congelación de un líquido desconocido. El estudiante A empleó un termometro normal de laboratorio calibrado en unidades de 0.1 oC. El estudiante B empleó un termometro certificado por el NIST y calibrado en 0.01 oC. Obtuvieron los siguientes resultados:ESTUDIANTE A: -0.3 oC; 0.2 oC; 0.0 oD; y –0.3 oCESTUDIANTE B: 273.13 oK; 273.17 oK; 273.15 oK; y 273.19 oK.Calcule el valor promedio y la desviación promedio para cada estudiante. Si el líquido desconocido es agua, calcule el error de cada estudiante. ¿Qué estudiante obtuvo valores más precisos? ¿Cuál tuvo el menor error?

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1.13 Usos de cifras Significativas

(a) ¿Cuál es la suma y el producto de 10.26 y 0.063?

(b) ¿Cuál es el resultado del cálculo siguiente?

)00216.0)(056.0(

)6467.110( x

70



1.14 Resolución de problemas

Cierta pintura tiene una densidad de 0.914 g/cm3. Se necesita cubrir una pared de 7.6 m de largo y 2.74 m de alto con una cpa de pintura de 0.13 mm de espesor. ¿Qué volumen de pintura en litros se requiere? ¿Cuál es la masa (en gramos) de la capa de pintura?

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