Guía de estudio N °1: Sistemas materiales, Átomos y
Reacciones Químicas
Les dejamos una guía teórica con los temas más importantes que desarrollaremos en este Libro y
que trabajaremos en la Guía de Actividades que han descargado.
Tienen abundante material teórico en este libro , pueden consultar también la Bibliografía sugerida
https://youtu.be/KLhPbbXj0aM
Sólo agrego un poquito más de información por si no quedó claro en la diapositiva 5
(cualquier duda pueden consultar en los foros de discusión de la Guía 1)
Teórico
Sustancias y Mezclas. Niveles de Representación
1. Niveles de representación
En química, un mismo proceso pueden ser representado a partir de tres niveles diferentes pero
complementarios.
• Nivel macroscópico:
corresponde a todas aquellas percepciones sensoriales y las
posteriores descripciones o conclusiones que puedan establecerse a partir de la
percepción directa del fenómeno, ya sea a través de la experimentación o en la vida
cotidiana. Por medio de este nivel de representación, se describen propiedades de la
materia como forma, color, olor, tamaño, volumen, masa, estado de agregación física,
entre otras.
• Nivel submicroscópico: relacionado con los diferentes modelos que se utilizan en la
química para plantear una posible explicación del fenómeno. En este nivel se utilizan
entidades o partículas como átomos, iones y moléculas, por medio de las cuales se
pueden presentar explicaciones cualitativas de las condiciones y características de las
sustancias que participan en un determinado fenómeno químico, mediante la
representación o modelización de su estructura interna.
• Nivel simbólico: comprende los diferentes y diversos símbolos que se han asignado para
representar los elementos (símbolos químicos), sus combinaciones (fórmulas
moleculares) y las expresiones matemáticas que se han implementado para representar
los fenómenos y transformaciones de la materia (ecuaciones químicas).
El siguiente esquema sintetiza lo expuesto, tomando como ejemplo el agua:
2. Mezclas y sustancias
La mejor manera de iniciar el estudio de la materia en química es a través de su clasificación:
Aunque estos conceptos seguramente les resulten familiares, es importante que estén bien
claros, ya que los mismos constituyen el fundamento de gran parte de los temas que serán
abordados durante el primer cuatrimestre. Para revisar entonces estos temas les proponemos
recorrer las primeras cinco páginas del material: "Proyecto Newton" y las secciones 1, 2, 3 y 7
del material "Mezclas, disoluciones y sustancias puras".
En el siguiente video se profundiza conceptualmente en la clasificación de los sistemas
materiales y se analizan ejemplos de cada tipo de sistema en diferentes formas de
representación. El mismo les resultará útil para la resolución de la Actividad 1 de la Guía
(aunque el video fue elaborado en el año 2020, el contenido es vigente para resolver la Guía
2022).
https://youtu.be/Yr1V1qLSD8I
El siguiente vídeo les permitirá también seguir profundizando el tema. Los ejemplos que se
analizan permiten relacionar los niveles macroscópicos y submicroscópico.
https://youtu.be/benJbAVKGVY
Teórico
Estados de Agregación y Cambios de Estado
Seguramente ya sabían que la materia puede existir en tres estados de agregación: líquido,
sólido y gaseoso.
¿Pero cuánto conocen acerca de estos tres estados?
Para visualizar mejor estos conceptos, los invitamos a recorrer el sitio:
"Estados de la materia"
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/e
stados/estados1.htm
(Navegando las diferentes pestañas podrán acceder a animaciones y pequeñas
explicaciones teóricas acerca de estos tres estados. Si no pueden ver las imágenes y
animaciones deberán instalar un Flash Player, por ejemplo Flash Player 2021. Al final
encontrarán una sencilla actividad de autoevaluación que les permitirá validar los
conocimientos adquiridos. El apartado "cambios de estado" resulta clave para entender estas
transformaciones desde el punto de vista submicroscópico).
Los cambios o pasajes de estado pueden tener diferentes nombres:
Al profundizar un poco en este tema, verán que aparecen ciertos términos que resultan
similares, pero que no significan lo mismo. A continuación aparecen estos conceptos
desambiguados:
l
VAPORIZACIÓN, EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN:
Los términos vaporización, evaporación y ebullición son bastante utilizados cuando se habla
del cambio de estado físico de líquido a gaseoso. Pero ¿cómo diferenciar cada uno de ellos?
¿Sabemos aplicarlos correctamente? Veamos el significado de cada uno:
• Vaporización: es el paso desde el estado líquido al estado gaseoso. Existen dos formas en
que ese cambio de estado puede ocurrir, pues su velocidad puede variar dependiendo
de la cantidad de energía suministrada.
• Evaporación: ese t
érmino es usado cuando la vaporización ocurre a temperatura
ambiente, en cualquier temperatura y presión de forma lenta, predominantemente en la
superficie del líquido, sin la aparición de burbujas o agitación del líquido. La evaporación
siempre ocurre en una temperatura inferior a la de ebullición.
• Ebullición: la ebullición ocurre a una determinada temperatura, que es específica para
cada sustancia pura y que puede variar conforme con la presión atmosférica local.
Ocurre cuando calentamos el sistema, es un paso del líquido hacia el estado gaseoso de
forma rápida y perceptible, pues ocurre en toda la extensión del líquido, con agitación y
formación de burbujas. El punto de ebullición varía con la presión atmosférica: cuanto
más baja sea la presión atmosférica, menor será el punto de ebullición del líquido.
Evaporación
Ebullición
GASES Y VAPORES:
Aunque en el lenguaje cotidiano se utilizan los términos gas y vapor de manera indistinta,
rigurosamente existe una diferencia (vapor de agua vs. oxígeno gaseoso). Un gas es una
sustancia que normalmente se encuentra en el estado gaseoso a temperatura ambiente y
presión atmosférica (aproximadamente 25ºC y 1 atm). Vapor, en cambio, es la forma gaseosa
de cualquier sustancia que constituye un líquido o un sól
ido a temperaturas y presiones
normales. Si bien tiene el mismo estado de agregación, al ser comprimido a una temperatura
constante el vapor puede pasar a estado líquido (o al sólido). Si a un gas se lo comprime a
temperatura constante, este nunca puede cambiar de estado (aún a presiones altas). Un gas
perfecto requiere el proceso de licuefacción, para pasar al estado líquido.
- Licuefacción o licuación: cambio de estado que ocurre cuando un gas pasa al estado
líquido por aumento de presión y disminución de temperatura, llegando a presiones muy altas y
temperaturas muy bajas (ej.: nitrógeno líquido).
• Temperatura crítica: es la temperatura por encima de la cual es imposible licuar un gas.
Cada gas tiene una temperatura crítica determinada.
- Condensación: es el pasaje de vapor a líquido. Los vapores condensan por compresión o
por enfriamiento (ej.: condensación del agua sobre un vaso frío).
¿Vemos el siguiente video antes de resolver la Actividad 2 de la guía? (aunque el video fue
elaborado c
uando estos conceptos formaban parte de la Actividad 3, el contenido es
adecuado para resolver la Actividad 2 de la Guía 1 2022).
https://youtu.be/cVsNBDglM1o
Teórico
Cambios Físicos y Cambios Químicos
La materia puede sufrir diferentes tipos de cambios que se pueden clasificar, según su
naturaleza en cambios físicos y cambios químicos.
Un cambio físico es aquel que ocurre sin que cambie la identidad química de la sustancia, es
decir sin rotura ni formación de enlaces químicos. Esto incluye dilatación/contracción,
cambios de estado de agregación, deformación, etc. Uno de los ejemplos más mencionado
de cambio físico es la ebullición del agua.
Los cambios químicos, también llamados reacciones químicas, implican la transformación de
una o más sustancias en otra/s diferente/s, mediante reorganización de los enlaces químicos
entre los átomos. Uno de los ejemplos más comunes es la oxidación del hierro metálico por el
oxígeno atmosférico para formar óxido de hierro.
Los invitamos a ver dos nuevos vídeos. En el primero se presentan y ejemplifican ambos
conceptos. El segundo es un extracto del programa Proyecto G, donde los doctores en
biología Diego Golmbeck y Gabriel Gellon presentan diferentes experiencias para
comprender el concepto de cambio químico.
https://youtu.be/L1eVzXi45Ic
https://youtu.be/czyKZPvLEKs
Teórico
Recuperando Componentes: Métodos de Separación y Fraccionamiento
Antes de profundizar en la recuperación de componentes en diferentes sistemas materiales es
preciso definir algunas cuestiones:
Te sugerimos visitar el sitio "Ensamble de Ideas" https://www.ensambledeideas.com/sistemas-
homogeneos-sistemas-heterogeneos-sistema-inhomogeneos/ para aclarar el significado
de FASES y COMPONENTES de un SISTEMA MATERIAL, y cómo clasificar una mezcla
en HOMOGÉNEA y HETEROGÉNEA.
También es importante que sepan distinguir los tipos de propiedades físicas que se utilizan para
describir a una sustancia, las cuales pueden ser GENERALES (EXTENSIVAS) o ESPECÍFICAS
(CARACTERÍSTICAS, INTENSIVAS):
Los métodos de separación de fases (aplicables a mezclas heterogéneas) y de
fraccionamiento (para recuperación de componentes de una mezcla homogénea) son
algunas de las técnicas que con mayor frecuencia se aplican en los trabajos experimentales
de química. En las secciones 2 y 5 del material "Proyecto Newton" se mencionaban algunos de
estos métodos.
En el siguiente video, podrán ver ejemplos de separación y fraccionamiento de los
componentes de una mezcla: https://youtu.be/8SM4n_CItyA
Para seguir profundizando el tema pueden acceder a una entrevista al ingeniero bioquímico
mexicano Filiberto Vazquez Dávila: https://youtu.be/ZOFw1o9d3Uc
Por último, aquí les dejamos la resolución del ejercicio 4.1 de la Guía, en el cual se aclaran
algunas dudas que puedan quedar al respecto: https://youtu.be/sITGRGT5t48
Teórico
Partículas Subatómicas, Átomo, Tabla Periódica
La química estudia las transformaciones de la materia y la materia está formada por átomos.
El átomo puede definirse como la menor partícula representativa de un elemento.
Existen muchas representaciones para el átomo porque son tan pequeños que nunca nadie
los ha visto. A medida que se generó información acerca de las propiedades de las partículas
fundamentales de la materia, se fueron desarrollando modelos, es decir, descripciones y
explicaciones de la naturaleza de estas partículas que permitían comprender y predecir el
comportamiento de la materia.
Cada una de las imágenes corresponde a un modelo construido en un determinado momento
histórico por miembros de la comunidad científica considerando la evidencia experimental
disponible en dicho momento. Cada modelo superaba al que lo antecedía, permitiendo
explicar nuevos fenómenos.
Todos los átomos están constituidos por las mismas 3 partículas subatómicas: protones cargados
positivamente que se ubican en el núcleo del átomo y le dan su identidad, neutrones sin carga,
también en el núcleo y que aportan las propiedades radiactivas (nucleares); ambas partículas
son las responsables de la masa de un átomo; y electrones con carga negativa, ubicados en
la corteza exterior, son los causantes de las propiedades químicas de los átomos, como la
formación de iones y el establecimiento de enlaces químicos.
El número de protones da lugar a los diferentes elementos, para cada uno de los cuales, el
número de neutrones caracteriza a los isótopos y el número de electrones determina la
formación de iones. Veremos estos conceptos y su aplicación a la resolución de ejercicios en el
siguiente video (aunque el video fue elaborado cuando estos conceptos formaban parte de
la Guía 2, el contenido es adecuado para resolver la actividad 5 de la Guía 1 2022):
https://youtu.be/VS8RsFzTv1Q
TABLA PERIÓDICA
Las diferentes combinaciones posibles de estas 3 partículas subatómicas dan lugar a la
existencia de numerosos elementos diferentes, los cuales se organizan para su simple abordaje
en la famosa "TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS". La misma fue un instrumento revolucionario
para la química, al permitir no sólo resumir una gran cantidad de información en un espacio
reducido y visualmente fácil de comprender, sino también agrupar a los elementos con otros
cuyas propiedades resultan similares.
La tabla periódica actual, también conocida como tabla de Werner-Paneth, ordena a los
elementos en función de su numero atómico "Z" de manera creciente. La misma está constituida
por 7 periodos (filas) y 18 grupos (columnas) y se suele representar al costado un pequeño
fragmento con 2 filas de 10 elementos (tierras raras o elementos de transición interna),
simplemente por razones prácticas para que la tabla no sea tan larga.
La tabla periódica es una herramienta fundamental para todo estudiante de química. La
misma debe estar siempre a mano a la hora de estudiar o resolver ejercicios, aunque existen
diferente opciones en función del uso al que estén destinadas.
Hoy en día, las tablas periódicas virtuales on-line son una herramienta muy interesante y
completa, ya que permiten un abordaje interactivo de la información.
A continuación mostraremos una tabla periódica dinámica on-
line, la cual permite ir
seleccionando diferentes tipos de información sobre los diferentes elementos o grupos de
elementos. Al hacer clic en cualquier elemento se verán sus principales propiedades, tales
como símbolo, número atómico, valencia, punto de fusión, punto de ebullición, etc., además
de su clasificación en metales, metaloides y no metales, y su estado de agregación. Esta tabla
periódica va a ser una guía muy útil para estudiar química.
(Para acceder a la tabla periódica, hagan clic en la imagen.)
https://ptable.com/?lang=es#Propiedades
Además les recomendamos una aplicación en la que podrán acceder a una tabla periódica,
también interactiva y completa, que se puede usar sin internet en el celular. La pueden
descargar en Play Store o App Store como "Merk PTE".
Por último, para la resolución de las instancias de examen presenciales (parciales y final),
necesitarán contar con una tabla periódica de papel, la cual pueden conseguir en cualquier
librería. Es importante que adquieran una versión diseñada para estudiantes universitarios, ya
que los formatos para escuela pueden resultar demasiado básicos.
A modo de anécdota, les compartimos una tabla periódica con información de interés general,
desarrollada por un equipo de divulgadores y científicos del Centro Atómico Bariloche (CAB),
dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA).
https://www.ib.edu.ar/comunicacion-y-prensa/noticias/item/778-una-innovadora-tabla-
periodica-de-los-elementos.html
Teórico
Isótopos
Aunque todos los átomos de un mismo elemento
se caracterizan por tener el mismo número
atómico, pueden tener distinto número de
neutrones. Llamamos isótopos
a las formas
atómicas de un mismo elemento que se
diferencian en su número másico.
Para representar un isótopo, hay que indicar el
número másico (A) propio del isótopo y el número
atómico (Z), colocados como índice y subíndice,
respectivamente, a la izquierda del símbolo del
elemento.
En el siguiente ejemplo podemos ver a representación de los tres isótopos del elemento
Hidrógeno, Z = 1. Aunque los tres son hidrógenos y sus propiedades químicas son indistinguibles,
tradicionalmente se los ha nombrado diferente y se los conoce como Protio, Deuterio y Tritio.
Se los puede diferenciar únicamente por su masa atómica y sus propiedades nucleares.
Medicina nuclear
La medicina nuclear se define como la rama de la medicina que emplea
los isótopos radiactivos, las radiaciones nucleares,
las variaciones electromagnéticas de los
componentes del núcleo atómico y técnicas biofísicas afines, para la prevención, diagnóstico,
terapéutica e investigación médica. Asimismo, la medicina nuclear incluye el estudio de los
fenómenos biológicos originados por la utilización de los isótopos radiactivos, así como el
empleo de ciclotrones y reactores nucleares en la producción de radio
nucléidos de uso
médico, y la aplicación de sistemas de reconstrucción de imágenes y de elaboración de
datos. Las aplicaciones clínicas de los radiofármacos abarcan prácticamente a todas las
especialidades médicas.
La medicina nuclear tiene estrecha relación con diversas ciencias básicas y aplicadas, como
la física, química, electrónica, cibernética y farmacia, y con otras ramas de la medicina como
fisiología, fisiopatología, radiodiagnóstico y otras técnicas de diagnóstico por la imagen.
En la actualidad,
la mayor parte de los hospitales y centros sanitarios disponen de un
Departamento de Radiología y de un Departamento de Medicina Nuclear, y emplean métodos
radioquímicos de laboratorio para diagnóstico e investigación de una gran variedad de
enfermedades. https://energia-nuclear.net/definiciones/isotopo.html
https://energia-nuclear.net/definiciones/radioactividad.html
https://energia-nuclear.net/definiciones/nucleo-atomico.html
-Prevención: La medicina nuclear aplica los conocimientos y técnicas que le son propios a la
higiene, medicina profiláctica y preventiva, y a la protección radiológica.
-Investigación
: La medicina nuclear se desarrolla en la investigación básica y aplicada,
utilizando isótopos radiactivos y técnicas biofísicas afines.
-Diagnóstico: Incluye fundamentalmente la realización de pruebas funcionales, morfológicas,
dinámicas, morfofuncionales y analíticas, basadas en principios bioquímicos, fisiológicos y
fisiopatológicos, encaminadas a conseguir un mejor conocimiento y comprensión de la
estructura y función del cuerpo humano en estado de salud o de enfermedad.
-Terapéutica: Además del importante impacto que tienen las técnicas diagnósticas de la
medicina nuclear sobre el tratamiento y manejo de los pacientes, esta especialidad incluye,
en su campo de acción, algunas indicaciones terapéuticas concretas realizadas mediante la
administración a los pacientes de radiofármacos (terapia metabólica, endolinfática,
intracavitaria, etc.). También comprende el tratamiento y prevención de los efectos biológicos
provocados por la exposición a radiaciones ionizantes, especialmente cuando esta exposición
se debe a irradiación externa o contaminación provocada por sustancias radioactivas no
encapsuladas.
A continuación, accede al siguiente video de interés sobre ISOTOPOS EN CARDIOLOGÍA:
https://youtu.be/VsbKrcr-Dgk
Teórico
Configuración Electrónica
El modelo atómico propuesto por Bohr proporcionaba la siguiente información en relación a la
estructura de los átomos:
• Los electrones giran en torno al núcleo de forma que tienen valores concretos y discretos
("cuantizados") de energía. No todas las órbitas están permitidas, sino únicamente un
número finito de éstas. Estas órbitas se caracterizan por un número
entero "n" denominado número cuántico principal. El nivel de menor energía toma el
valor n = 1, y los sucesivos, n = 2,3,4,..., conforme aumenta su energía.
• Los electrones no pierden energía en su movimiento, sino que ganan o pierden energía
al saltar entre órbitas permitidas. El salto entre niveles energéticos implica la emisión o
absorción de la energía correspondiente a la diferencia de energía entre el nivel emisor
y el receptor, lo cual puede observarse mediante un espectroscopio como un patrón de
líneas característico.
Sin embargo, al mejorar los espectroscopios se detectó que la mayor parte de las líneas
observadas eran una acumulación de varias líneas con una energía muy similar. Este
desdoblamiento, no explicable según el modelo de Bohr, parecía indicar la existencia de unos
niveles de energía más "finos", agrupados en torno a los niveles predichos por el modelo de Bohr,
los cuales se denominaron subniveles. El estudio de estos subniveles mostró que el primer nivel
de energía (n = 1) no se desdoblaba, el segundo (n = 2) presentaba 2 subniveles, el tercero (n =
3) presentaba 3 subniveles y así sucesivamente para sucesivos valores del número cuántico
principal n. Para explicar este desdoblamiento se introdujo un segundo número cuántico, el
número cuántico secundario, denotado por la letra "l", que para un determinado nivel principal
toma valores desde 0 hasta n-1. Se ha mantenido su notación original, que asocia una letra a
cada valor de l, según se observa en la siguiente tabla:
Las teorías modernas, basadas en la mecánica cuántica ya
no hablan de órbitas, sino de orbitales, que son las regiones
del espacio en las que existe mayor probabilidad de
encontrar un electrón situado en un subnivel de energía
dado. La forma de estos orbitales depende del número
cuántico secundario l, tomando distintas formas y
orientaciones en el espacio según sea su valor. En la
imagen podemos observar la distribución de los distintos
orbitales para un átomo de hidrógeno:
Cada subnivel tiene (2 x l + 1) orbitales. Así:
- Un subnivel s (l = 0) tiene 1 único orbital
- Un subnivel p (l = 1) tiene 3 orbitales
- Un subnivel d (l = 2) tiene 5 orbitales
- Un subnivel f (l = 3) tiene 7 orbitales
Números Cuánticos
Cada electrón de un átomo se define por 4 números cuánticos, de modo que no puede haber
en un mismo átomo o ion 2 electrones que coincidan en los 4 valores.
La configuración electrónica (CE) de un átomo es el modo en que están distribuidos los
electrones alrededor del núcleo de ese átomo, es decir, cómo se reparten esos electrones
entre los distintos niveles, subniveles y orbitales.
La configuración electrónica de un átomo se
obtiene siguiendo las siguientes reglas:
1. En cada orbital sólo puede haber 2
electrones.
2. Los electrones se van colocando en la
corteza ocupando el orbital de menor
energía que esté disponible.
3. Cuando hay varios orbitales con la misma
energía los electrones se ubican, de ser
posible, en orbitales diferentes.
La regla de las diagonales, es un esquema que muestra el orden correcto de llenado de los
orbitales electrónicos, en función del contenido energético de cada subnivel. Lo podemos
observar en la siguiente imagen:
Siguiendo la dirección de las flechas, podemos ver que en orden creciente de energía, los
subniveles se ordenan de la siguiente manera:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s, etc.
• Para representar la CE se debe indicar los subniveles presentes y cuántos electrones contiene
cada uno. Los subniveles se nombran según el número que corresponde al nivel, seguido de
la letra correspondiente al subnivel y el número de electrones aparece como un superíndice
(1s
2
, 2s
2
, 2p
6
, etc.).
• Muchas veces, para simplificar la escritura de la CE de un átomo se utiliza la Configuración
Electrónica Abreviada (CEA),
que es la que se observa en la mayoría de las tablas
periódicas. Para esto, dado un elemento químico se escribe el símbolo del gas noble que le
precede, seguido por los electrones que están por encima del gas noble siguiendo los
mismos principios que hemos visto anteriormente.
• Otra abreviatura que se utiliza para resumir la CE es la Configuración Electrónica Externa
(CEE), se refiere a la configuración electrónica del último nivel energético.
Por último, cabe tener en cuenta que, todos los elementos que tienen la misma cantidad de
electrones en el último nivel energético pertenecen al mismo grupo en la tabla: Ca (4s
2
) y Sr (5s
2
),
poseen 2 electrones externos cada uno y ambos pertenecen al grupo 2. Asimismo, todos los
elementos que presentan la misma cantidad de niveles energéticos (ocupados o
semiocupados) pertenecen al mismo período: Na (3s
1
) y Ar (3s
2
3p
6
) presentan ambos n=3, por
ende pertenecerán al periodo 3.
Muchas veces se habla de especies isoelectrónicas: son aquellas que poseen la misma
configuración electrónica. Les dejamos un video explicativo:
video https://www.youtube.com/watch?v=uiXWHLXoRPg
Por último, les proponemos resolver la siguiente actividad interactiva:
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/a
tomo/modelos.htm
Teórico
Reacciones y Ecuaciones Químicas
A lo largo del libro ya hemos mencionado que la materia puede sufrir cambios mediante
diversos procesos.
Los cambios químicos: alteran la naturaleza de las sustancias: desaparecen unas y aparecen
otras con propiedades muy distintas. No es posible volver atrás por un procedimiento físico
(como calentamiento o enfriamiento, filtrado, evaporación, etc.)
Una reacción química es un proceso por el cual una o más sustancias, llamadas reactivos, se
transforman en otra u otras sustancias con propiedades diferentes, llamadas productos.
En una reacción química, los enlaces entre los átomos que forman los reactivos se rompen.
Entonces, los átomos se reorganizan de otro modo, formando nuevos enlaces y dando lugar a
una o más sustancias diferentes a las iniciales.
¿Es lo mismo una reacción química que una ecuación
química?
Este documento contiene más páginas...
Descargar Completo
TEMA_3_pdf.pdf
Estamos procesando este archivo...
Lamentablemente la previsualización de este archivo no está disponible. De todas maneras puedes descargarlo y ver si te es útil.
Descargar
Estamos procesando este archivo...
Lamentablemente la previsualización de este archivo no está disponible. De todas maneras puedes descargarlo y ver si te es útil.