Tema1 2014 15 Alumnos

Qumica

a) Clases expositivasteora (CE) : Grupo B

b) Prctica de aula (PA): PA 3 y PA 4

c) Tutoras grupales (TG): 7.....12

La asistencia a las tutoras grupales ser OBLIGATORIA

d) Prcticas de laboratorio (PL): PL7.....PL12

La asistencia a las prcticas de laboratorio ser OBLIGATORIA

Prof: M del Camino Trobajo Fernndez

[email protected]

Curso 2014/15

1 Curso 2014/15

Clases expositivas-teora CE (prueba escrita) +

Prcticas de aula (PA) y tutoras grupales (TG) 80%

Prcticas de laboratorio (PL) 20%

EVALUACIN

La nota mnima para la evaluacin en todos los

apartados tiene que ser 4

Curso 2014/15

2 Curso 2014/15

Bibliografa

Brown, Lemay, Bursten y Murphy. Qumica: La Ciencia Central. 11 Edicin. Editorial Prentice-Hall.

Petrucci, Harwood y Herring. Qumica General. 10 Edicin. Editorial Prentice Hall.

Chang. Qumica. 9a Edicin. Editorial McGraw Hill.

Reboiras, M.D. Qumica: La Ciencia Bsica. Editorial Thomson

Curso 2014/15

3 Curso 2014/15

Tema 1. Conceptos bsicos en Qumica (6 horas)

Objeto de la Qumica y su relacin con otras ciencias. tomos y

molculas. Smbolos atmicos y tabla peridica. Significado de las

frmulas qumicas y la nomenclatura qumica. Formulacin y

nomenclatura de compuestos inorgnicos y orgnicos simples. Cantidad

de sustancia, mol y nmero de Avogadro. Masas atmicas y

moleculares. Ecuaciones qumicas y clculos estequiomtricos.

Propiedades bsicas del enlace qumico.

Curso 2014/15

4 Curso 2014/15

Qumica es la rama de la ciencia que se dedica al

estudio de la materia y los cambios que sufre.

Desde el punto de vista microscpico:

Las sustancias estn constituidas por tomos,

molculas o iones.

Un tomo es una partcula extremadamente

pequea de materia que retiene su identidad

durante los cambios qumicos.

5 Curso 2014/15

Un tomo est constituido por un ncleo que contiene neutrones

y protones y una corteza donde estn los electrones.

La carga positiva de los tomos est concentrada en el ncleo y

en la corteza la carga negativa

Debido a que el nmero de protones es igual al de electrones, los

tomos son elctricamente neutros.

Que es un tomo?

6 Curso 2014/15

Partcula Masa Carga Carga (gramos) (Culombios) (unidad)

Electrn (e) 9,1 x 1028 1,6 x 1019 1

Protn (p+) 1,67 x 1024 +1,6 x 1019 +1

Neutrn (n) 1,67 x 1024 0 0

Masa del protn = Masa del neutrn = 1840 x masa electrn

La masa de los tomos puede considerarse suma de la masa de

neutrones y protones.

La carga de electrones y protones es igual pero de signo contrario 7

Partculas Subatmicas

Curso 2014/15

Nmero de protones en el ncleo = Nmero atmico (Z)

X A

Z

U 235 92 U 238 92

Nm. msico

Nm. atmico Smbolo del elemento

Istopos son tomos del mismo elemento (X) con diferente nmero

de neutrones en su ncleo.

Nmero msico (A) = nm. de protones + nm. de neutrones

= nm. atmico (Z) + nm. de neutrones

Los tomos de un elemento dado tienen el mismo Z pero pueden

diferir en A (difieren en el nmero de neutrones)

Ne 20 10 Ne

21 10 Ne

22 10

8

Composicin de cualquier tomo

Curso 2014/15

Los istopos de un elemento poseen idnticas

propiedades qumicas, pero experimentan reacciones

nucleares diferentes.

Los istopos pueden ser de origen natural o artificial

Protio o Hidrgeno (99,985%) Deuterio (0,015%) Tritio (trazas)

Istopos del Hidrgeno

9 Curso 2014/15

Istopos del Carbono

10 Curso 2014/15

El modelo de Bohr explica bien el espectro del tomo de hidrgeno, los e-

giran en torno al ncleo en orbitas circulares de energa fija, pero falla en

tomos polielectrnicos.

Los electrones se mueven de forma catica en regiones del espacio ms o menos definidas, no en rbitas circulares alrededor del ncleo

Mecnica Cuntica

- Funcin de onda de Schrdinger (1927)

2 densidad de probabilidad

Estructura electrnica de los tomos

La funcin de onda () describe la localizacin y la energa del electrn.

Un orbital es una solucin particular de la ecuacin de onda (su cuadrado,

densidad electrnica, indica la regin del espacio donde hay una

probabilidad muy alta de encontrar el electrn).

11 Curso 2014/15

En la Mecnica Cuntica se necesitan tres nmeros cunticos para

describir la posicin de los electrones alrededor del ncleo y un cuarto

nmero cuntico que describe el comportamiento de un electrn.

Nmero cuntico principal (n). Puede tomar valores n = 1, 2, 3,...

Este nmero est relacionado con la distancia promedio entre el ncleo

y el electrn.

Mayor distancia mayor energa menor estabilidad

Nmero cuntico del momento angular (l). Puede tomar valores l = 0,

1, 2, ..., n - 1

Este nmero indica la forma de los orbitales

Nmero cuntico magntico (ml). Puede tomar valores

ml = -l, -(l-1),,0,,(l-1),l

Este nmero describe la orientacin del orbital en el espacio

Nmeros cunticos

12

Curso 2014/15

Representacin de los orbitales atmicos

A medida que aumenta el valor de n aumenta el tamao del orbital. 13

Curso 2014/15


14 Curso 2014/15


El nmero total de orbitales para cada nivel n es n2

15 Curso 2014/15

En el tomo de Hidrgeno, n, representa la energa del

orbital. Todos los orbitales atmicos con el mismo valor de n

tienen la misma energa.

Un conjunto particular de estos tres nmeros cunticos

describe un orbital del tomo de hidrgeno. 16 Curso 2014/15

ms = + or -

ms = - ms = +

Nmero cuntico de spin

17

Curso 2014/15

Nmeros cunticos

18 Curso 2014/15

a) 1 0 0 +1/2

b) 3 2 1 -1/2

c) 3 3 -2 -1/2

d) 2 -2 0 +1/2

e) 2 0 0 +1/2

f) 2 1 0 0

n l ml ms

Nmeros cunticos, cules estn permitidos?

Indicar los valores de n y l para cada uno de los

siguientes orbitales (si existen).

6s, 2p, 4f, 2d, 3f 19 Curso 2014/15

Energa de los orbitales en los

tomos multielectrnicos


Orbitales con el mismo nmero

cuntico tienen la misma energa

20 Curso 2014/15

Energa de los orbitales en los



La energa de los orbitales se rige por los nmeros cunticos n y l

A mayor valor de n+l mayor energa. A igualdad de n+l el orbital

con mayor n tendr mayor energa

P.ej. en el orbital 4s tenemos

que n+l = 4, por eso tiene

menor energa que el orbital 3d,

dnde n+l = 5

P.ej el orbital 4s tiene ms

energa que el 3p porque

aunque ambos poseen igual n+l

= 4, el 4s tiene mayor nmero n

21 Curso 2014/15

22

El estado ms estable de un tomo (estado fundamental) es la

configuracin electrnica en la que los electrones del tomo se

encuentran en sus estados energticos ms bajos posibles.

Cada tomo posee un diagrama de energas orbitales diferente.

Curso 2014/15

La configuracin electrnica de un tomo es la distribucin de sus

electrones en los diferentes orbitales atmicos.

- Estado fundamental: el de mnima energa

- Estado excitado: todo estado con una energa superior a la del

estado fundamental. Para que un tomo pase de su estado

fundamental a un estado excitado debemos aportar energa

Para conocer la configuracin electrnica en el estado fundamental

de un tomo debemos aplicar el Principio de AUFBAU:

1. Los orbitales se llenan por orden creciente de energa

2. Se debe cumplir la regla de HUND

3. Se debe cumplir el principio de exclusin de PAULI

Configuracin electrnica

23 Curso 2014/15

2p


1. Principio de Aufbau. Los electrones

llenan primero los orbitales de menor

energa (suma de n+l ms pequea)

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s

< 4d < 5p < 6s.

2. Principio de exclusin de Pauli. En un

orbital atmico solo caben, como

mucho, dos electrones, con sus

espines opuestos.

3. Regla de Hund. Cuando se ocupan

orbitales de la misma energa se

disponen de forma que tengan el

mximo de electrones desapareados. 24

Curso 2014/15

25 Curso 2014/15


La configuracin electrnica de un elemento puede abreviarse

escribiendo entre corchetes el smbolo del gas noble anterior y, a

continuacin, la configuracin electrnica externa

26 Curso 2014/15

Configuraciones electrnicas de aniones y cationes

27

En la formacin de un anin se agregan los electrones siguiendo el principio

de Aufbau

Los aniones fluoruro, xido y nitruro son isoelectrnicos entre s e isoelectrnicos

con el nen.

Por lo general, en la formacin de un catin a partir de un tomo neutro, los

electrones se pierden de la capa n mas alta ocupada.

Los cationes Na+ y Al3+ son isoelectrnicos entre s e isoelectrnicos con el

nen. Curso 2014/15

Excepciones a la configuracin electrnica (metales

de transicin)

Con las reglas de Aufbau se pueden conocer las configuraciones

electrnicas de la mayora de los tomos, pero hay bastantes excepciones:

1. Los estados con subniveles completos o semicompletos (o totalmente

vacos) tienen una estabilidad especial (24Cr y 29Cu) :

24e- Cr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 (4s23d4)

29e- Cu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 (4s23d9)

2. Al formar cationes, los electrones se sacan primero de los orbitales np,

luego ns y finalmente (n-1)d: (25Mn Mn2+)

25e- Mn: [Ar] 3d5 4s2 Mn2+: [Ar] 3d5

No

No

28 Curso 2014/15

29

Curso 2014/15

30 Curso 2014/15

La tabla peridica Metales alcalinos

Alcalinotrreos

Metales de transicin

Halgenos

Gases nobles

Lantnidos y actnidos

Grupo principal

Grupo principal

31 Curso 2014/15

Los elementos del mismo grupo, que experimentalmente tienen

propiedades similares, tienen configuraciones electrnicas semejantes

Los orbitales de valencia son aquellos orbitales con electrones que

estn situados en las capas ms externas y son los que participarn

en las reacciones qumicas 32

Curso 2014/15

Cuales son los orbitales y electrones de valencia?

ltimo orbital s + ltimo orbital

33 Curso 2014/15

Propiedades peridicas

Propiedades que dependen de la configuracin electrnica

34 Curso 2014/15

Radio atmico y radio inico

Energa de ionizacin

Afinidad electrnica

Electronegatividad

Carcter metlico


35 Curso 2014/15


-La determinacin del tamao de los tomos

no es trivial, no tiene lmites definidos

-Se toma como la mitad de la distancia entre

dos ncleos iguales

-El valor es aproximado ya que la distancia

depende del tipo de enlace

Tamao de los tomos y de los iones

Radio atmico Radio covalente

El radio atmico es la mitad de la distancia que separa los ncleos

de dos tomos adyacentes de un mismo elemento. Se suele

expresar en picmetros (1 pm = 10-12 m) o en angstrm (1 = 10-10m)

36 Curso 2014/15

El radio covalente es la mitad de la distancia existente entre

los ncleos de dos tomos idnticos unidos por un enlace

covalente simple.

El radio metlico se toma como la mitad de la distancia

existente entre los ncleos de dos tomos contiguos del

metal slido cristalino.

El radio inico est basado en la distancia existente entre

los ncleos de iones unidos por un enlace inico.

El radio de van der Waals corresponde a la mitad de la

distancia entre los ncleos de tomos vecinos en una

muestra del gas solidificado.

37 Curso 2014/15

38

Disponga los tomos siguientes en orden de radio atmico : Na, Be y Mg

Radio atmico

Curso 2014/15

39

Radio atmico

Curso 2014/15

Radios catinicos

Los cationes son ms pequeos

que los tomos de los que

proceden.

Na+ y el Mg2+ son especies

isoelectrnicas.

Los radios inicos de cationes

isoelectrnicos son tanto menores

cuanto mayor sea su carga

positiva.

Radios aninicos

Los aniones son mayores que los

tomos de los que proceden.

Los radios inicos de los aniones

isoelectrnicos son tanto mayores

cuanto ms negativa sea su carga.

40 Curso 2014/15

41

O .... 1s22s22p4

F .... 1s22s22p5

Na .... 1s22s22p63s1

Mg .... 1s22s22p63s2

O2-, F-, Na+, Mg2+

(isoelectrnicos)

1s22s22p6

- -

Tamao de especies isoelectrnicas

El tamao disminuye al aumentar la carga positiva del ncleo Curso 2014/15

Comparacin de radios

atmicos e inicos

42 Curso 2014/15

Energa de ionizacin (EI)

La energa de ionizacin, EI, es la energa que hay que

suministrar a un tomo neutro gaseoso en su estado

fundamental para poder arrancarle un electrn. El electrn

que se pierde es el que est ms dbilmente atrado por el

ncleo:

X(g) + EI1 X+(g) + e-

Na(g) + EI1 Na+(g) + e-

1s22s22p63s1 1s22s22p6

Se habla de 1 EI cuando se

extrae el primer electrn,

2 EI cuando se extrae el

segundo...

Se expresa en kJ/mol y es

siempre positiva

43 Curso 2014/15

44 Curso 2014/15

Por qu el valor de EI1 es menor para el B que para el Be,

cuando lo previsible es que

fuera al revs?

Be: 1s2 2s2 B : 1s2 2s2 2p1

Por qu el valor de EI1 es menor para el O que para el N,

cuando lo previsibles es que

ocurriera al revs?

N es 1s2 2s22px12py12pz1 O es 1s2 2s22px22py12pz1

Pero debemos preguntarnos:

45 Curso 2014/15

Aumento de la primera energa de ionizacin

Au

me

nto

de

la

prim

era

en

erg

a d

e io

niz

aci

n

46 Curso 2014/15

Las energas de ionizacin miden la fuerza con que el tomo retiene sus electrones. Energas pequeas indican una fcil eliminacin de electrones y

por consiguiente una fcil formacin de iones positivos.

Las energas de ionizacin sucesivas para un mismo elemento crecen muy

deprisa, debido a la dificultad creciente para arrancar un electrn cuando

existe una carga positiva que le atrae y menos cargas negativas que le

repelan.

El conocimiento de los valores relativos de las energas de ionizacin sirve

para predecir si un elemento tender a formar un compuesto inico o

covalente

Energa de

ionizacin

Tendencia del

elemento

Tipo de

compuesto

Baja Perder electrones y

dar iones positivos Inicos

Elevada Compartir

electrones Covalentes

Muy elevada Ganar electrones y

dar iones negativos Inicos

Energa de ionizacin (EI) Resumen

47

Curso 2014/15

F(g) + e- F-(g) AE1 = -328 kJ/mol

F(1s22s22p5) + e- F-(1s22s22p6)

La afinidad electrnica (AE) es la cantidad de energa que se

pone en juego cuando un tomo, o in, en estado gaseoso y

fundamental, capta un electrn para formar un anin en

estado gaseoso y fundamental.

Normalmente esta energa es negativa (se desprende)

aunque es positiva en los gases nobles y metales alcalino-

trreos.

Afinidad Electrnica (AE)

48 Curso 2014/15

Al igual que ocurra con la EI, tambin podemos hablar de 2, 3.. .AE

(formacin de aniones divalentes, trivalentes...). Todos estos procesos

son endotrmicos (AE2, AE3, etc. toman valores positivos).

49 Curso 2014/15

50

El valor positivo de AE2 hace que la formacin de O2- gaseoso parezca

poco probable. Sin embargo, el ion O2- (xido) existe en numerosos

compuestos inicos (ej. Li2O(s), MgO(s)), cuya formacin va acompaada

de otros procesos favorables desde el punto de vista energtico

Curso 2014/15

Valor ms negativo de la 1 afinidad electrnica

Valo

r m

s n

egativo d

e la 1

afinid

ad e

lectr

nic

a

51

El flor formar el anin fluoruro

(F-) muy fcilmente

El francio formar el anin (Fr-

???) muy difcilmente

Curso 2014/15

52

Ejemplo: Coloca los siguientes tomos C, Si, Ca y Sr en orden creciente de su

a) Energa de ionizacin

b) Afinidad electrnica

c) Radio atmico

Ejemplo: De cada uno de los grupos de tomos siguientes, indicar a cul corresponde la propiedad que se cita.

a) Mayor tamao: C, N, Si, P.

b) Mayor energa de ionizacin: B, C, Al, Si.

c) Menor afinidad electrnica: Al, Si, Ga, Ge.

Curso 2014/15

La electronegatividad no es una propiedad de los tomos aislados

Electonegatividad ()

53 Curso 2014/15

54

Carcter metlico

El carcter metlico es la tendencia de un elemento a ceder electrones.

Los METALES tienden a perder electrones para alcanzar la configuracin electrnica de los

gases nobles, mientras que los NO-metales tienden a hacer lo contrario, es decir ganar

electrones para alcanzar la configuracin electrnica de los gases nobles.

Curso 2014/15

Carga inica

Los metales forman cationes y los no metales forman aniones

55 Curso 2014/15

56

Carcter metlico

Curso 2014/15

57

Susceptibilidad magntica

Valor numrico de la desviacin observada para

cada sustancia en presencia de un campo

magntico.

Paramagnetismo: atraccin que experimenta

una sustancia en un campo magntico como

consecuencia de la existencia de electrones

desapareados.

Diamagnetismo: repulsin que experimenta una

sustancia en un campo magntico como

consecuencia de tener todos los electrones

apareados.

Curso 2014/15

Resumen Propiedades Peridicas

58 Curso 2014/15

Cantidad de sustancia, mol y nmero de Avogadro.

Masas atmicas y moleculares.

Ecuaciones qumicas y clculos estequiomtricos

Formulacin y nomenclatura de compuestos

inorgnicos y orgnicos simples.

59

Curso 2014/15

Curso 2014/15

tomos, Iones, Molculas y Cristales

Los tomos son las partculas bsicas de la materia.

A excepcin de los gases nobles, la materia no se presenta en forma de tomos

aislados. Los tomos pueden combinarse para buscar una mayor estabilidad

energtica, dando lugar a dos tipos bsicos de agrupaciones: molculas o cristales.

Las molculas y cristales formados por tomos idnticos forman los elementos,

mientras que molculas y cristales formados por tomos diferentes dan lugar a

compuestos.

Las molculas estn constituidas por un nmero determinado y pequeo de tomos,

mientras que los cristales estn formados por un nmero indeterminado de tomos,

iones o molculas que se disponen en estructuras geomtricas ordenadas que se

repite en las tres direcciones del espacio.

Curso 2014/15 60

tomos, Iones, Molculas y Cristales

Un elemento es una sustancia pura que no se puede separar en otras sustancias

puras ms simples. Cada elemento qumico est constituido por tomos idnticos,

con las mismas propiedades qumicas. Estos tomos idnticos pueden presentarse

aislados (solo los gases nobles) o combinados (resto de elementos).

Un compuesto es una sustancia pura que an se puede separar en otras ms

simples (los elementos qumicos que la conforman), mediante mtodos qumicos

(reacciones qumicas). Los compuestos estn formados por la unin de tomos de

diferentes elementos. Por ejemplo, el agua es un compuesto formado por la unin

de oxgeno e hidrgeno, y se puede separar en sus elementos constituyentes

mediante electrolisis.

Curso 2014/15

61

62

Ejercicios de evaluacin

1.- Nombre los siguientes compuestos: I2 Ba(ClO4)2 PtO2 H2S ClO2 H3PO4 Li3N Ba(H2PO4)2 IF3 SiH4 PF5 K2Cr2O7 LiH MgH2 HCl N2O4 B2H6 SF6 Cr(OH)2 La(OH)3 HClO4 CuBr NH4NO3 CS2 Ni3(PO4)2 Cr2O3 NaNO2 FeCl2

Curso 2014/15

63

2.- Formule los siguientes compuestos:

Fosfuro de hierro(III) xido de cobre(II)

Bromuro de dioxgeno xido de galio

Hidrxido de manganeso(II) Silano

Tetracloruro de silicio Hidruro de aluminio

cido hipobromoso Nitruro de mercurio(II)

Sulfito de plomo(II) Hidrogenofosfato de calcio

Nitrito de amonio Carbonato de cadmio

cido fosfnico Flururo de hidrgeno

Diyoduro de pentaxido Pentacloruro de fsforo

cido bromhdrico Hidrogenosulfato de cobre(II)

Nitrato de aluminio Sulfuro de cinc

xido de molibdeno(V) Permanganto de potasio

cido dicrmico Heptafluoruro de yodo Curso 2014/15

Un mol es la cantidad de sustancia que contiene el nmero de Avogadro (6,022 x 1023) de partculas (tomos, molculas, iones, electrones, etc.).

La masa molar de una sustancia es la masa de un mol de la misma, expresada en gramos.

La masa molar de una sustancia se obtiene sumando las masas atmicas de todos los tomos que constituyen la

molcula (compuestos moleculares) o la unidad frmula

(compuestos inicos) expresando su resultado en gramos. Compuesto molecular (H2O) 6,022 x 1023 molculas de H2O 1 mol de H2O 18,02 g de H2O 2 (1,008) + 16,00 = 18,02

Compuesto inico (NaCl) 6,022 x 1023 iones Na+ 1 mol de NaCl 6,022 x 1023 iones Cl- 58,44 g de NaCl 22,99 + 35,45 = 58,44

64 Curso 2014/15

moles

tomos

molculas

gramos n

tomos

molculas

/ M

X M

X NA

/NA

1 mol H2O

6,022X1023Molculas de H2O

18 gramos de H2O

6,022x1023 tomos de O

1,204x1024 tomos de H

Relacin masa / Masa molar (M)

65 Ejemplo: H2SO4 Curso 2014/15

Reacciones Qumicas y Estequiometra

Objetivos:

Repasar conceptos relacionados con las reacciones

qumicas: coeficientes estequiomtricos, ecuacin qumica

ajustada, reactivo limitante, rendimiento de una reaccin

Manejar los factores de conversin como herramienta

habitual para resolver cuestiones estequiomtricas

66 Curso 2014/15

Ajuste de reacciones

1) Se determina cuales son los reactivos y productos.

2) Se escribe una reaccin no ajustada usando las

las frmulas de los reactivos y de los productos.

3) Se ajusta la reaccin determinando los coeficientes

que nos dan nmeros iguales de cada tipo de tomo en

cada lado de la flecha de reaccin (generalmente

nmeros enteros)

IO3- + SO2 + H2O I2 + SO4

2-

K2Cr2O7 + HI KI + CrI3 + I2

NaMnO4 +H2O2 +H2SO4 MnSO4 +Na2SO4 + O2 + H2O

67 Curso 2014/15

Clculos estequiomtricos

Ejemplo1: Calcular la masa de dixido de carbono producida al quemar

5,00 g de C8H18

Las relaciones estequiomtricas, derivadas de las ecuaciones

ajustadas, pueden usarse para determinar las cantidades

esperadas de productos para una cantidad dada de reactivos.

68 Curso 2014/15

Composicin porcentual en masa (composicin centesimal)

69

Ejemplo: HNO3

Curso 2014/15

Composicin porcentual y frmulas empricas

70

Curso 2014/15

71 Curso 2014/15

Ejemplo 3: Se sabe que el cido ascrbico (vitamina C) contiene

nicamente C, H y O. Una muestra de 6,49 g dio por combustin 9,47 g de

dixido de carbono y 2,46 g de agua, cul es la frmula emprica del

cido?

72

Composicin porcentual y frmulas empricas

Curso 2014/15

Ejemplo 4: La dimetilhidracina es un compuesto formado por C, H y N

utilizado como combustible de cohetes. Cuando se quema por completo

una muestra de 0,505 g produce 0,741 g de dixido de carbono y 0,605 g

de agua. El contenido en nitrgeno de una muestra de 0,486 g se

convierte en 0,226 g de N2. Cul es la frmula emprica de la

dimetilhidracina?

73

Ejemplo 5: Una muestra de MgSO4xH2O que pesa 8,129 g se calienta

hasta que pierde todo el agua de hidratacin. El compuesto anhidro

resultante pesa 3,967 g cul es la frmula del hidrato?

Curso 2014/15

Reactivo Limitante

Reactivo que se ha consumido completamente en una reaccin

qumica, o reactivo que genera la menor cantidad de producto

74

Ejemplo 6: La reaccin trmica produce hierro metlico y xido de aluminio a

partir de una mezcla de aluminio metlico y xido de hierro (III). Se emplea

una mezcla de 50,0 g del xido y 50,0 g de aluminio. Calcular a) cul es el

reactivo limitante?, b) qu masa de hierro metlico se puede producir?

Curso 2014/15

Ejemplo 7: El carburo de silicio se conoce comercialmente como

carborundum. Esta sustancia dura, que se emplea comercialmente como

abrasivo, se fabrica calentando dixido de silicio y carbono a altas

temperaturas, generando como producto, adems del carborundum,

monxido de carbono.

a) Escribir una ecuacin qumica ajustada para esta reaccin.

b) Qu gramos de carburo de silicio pueden formarse si disponemos para

la reaccin de 3,00 g de dixido de silicio y 4,50 g de carbono?Cul es el

reactivo limitante?.

c) Cunto queda del reactivo en exceso despus que se consume

totalmente el reactivo limitante?

Rendimiento real: cantidad de producto realmente formado

100 tericoorendimient

real orendimientreaccin la de orendimient

Rendimiento terico: cantidad de producto formado de acuerdo

con la estequiometra de la reaccin

Rendimiento de la reaccin: porcentaje comparativo entre el

producto real formado y el terico estequiomtrico.

Rendimiento de una reaccin

75 Curso 2014/15

Rendimiento de una reaccin

Ejemplo 9: Cuando 100,0 g de nitrgeno(g) y 25,0 g de hidrgeno(g) se

mezclan a presin y temperatura elevadas, reaccionan formando 28,96 g

de amoniaco gas. Calcular el rendimiento de la reaccin

76

Ejemplo 10: Un mtodo para determinar la pureza de una muestra de xido

de titanio(IV), una sustancia qumica importante en la industria, es combinar

la muestra con trifluoruro de bromo. Se desprende oxgeno gaseoso

cuantitativamente, formndose adems bromo lquido y el fluoruro

correspondiente. Supongamos que una muestra de 2,367 g de un

compuesto que contiene xido de titanio(IV) desprende 0,143 g de oxgeno,

cul es el porcentaje en masa de xido de titanio(IV) en la muestra?

Ejemplo 11: 250 g de un mineral de fosfato de calcio del 60% de riqueza

se hacen reaccionar con 150 g de cido sulfrico para dar

dihidrgenofosfato de calcio y sulfato de calcio. Cuntos gramos de

dihidrgenofosfato de calcio se obtienen suponiendo un rendimiento del

80%? Curso 2014/15

La fuerza que mantiene unidos a los tomos o iones en un

compuesto haciendo que ste se mantenga unido como

una unidad independiente se denomina enlace qumico

Enlace qumico

Por qu se unen los tomos?

Se unen utilizando los electrones

ms externos (e- de valencia) Distancia de mxima estabilidad 77

En los elementos y compuestos, los

tomos siempre aparecen asociados

entre s, en forma de molculas o

cristales. La razn por la que los

tomos se unen se encuentra en la

mayor estabilidad energtica que se

adquiere al asociarse alcanzando una

configuracin electrnica de gas noble.

Curso 2014/15

78

Enlace qumico

Para lograr ese estado ideal, los tomos se asocian mediante uno de los tres tipos

de enlace:

1. Enlace inico: consiste en ceder o captar electrones

2. Enlace covalente: basado en compartir electrones con otro tomo

3. Enlace metlico: poner los electrones en comn junto con otros muchos

tomos

De hecho, las propiedades de las sustancias formadas por enlace qumico

dependen en gran medida del tipo de enlace qumico existente.

Curso 2014/15

Se unen utilizando los e- mas externos (de valencia)

Enlace qumico

79 Curso 2014/15

Teora de Lewis

Cuando se produce el enlace, cada tomo adquiere configuracin electrnica de

gas noble, ns2 np6 (regla del octeto).

Los electrones situados en la capa electrnica ms externa determinan la formacin

de los enlaces qumicos (electrones de valencia).

Enlace inico: se forma al producirse la transferencia de uno o ms electrones de

un tomo a otro, provocando la formacin de aniones y cationes.

Enlace covalente: se forma cuando los tomos comparten electrones, dando lugar

a la formacin de molculas.

80 Se unen utilizando los e- mas externos (e- de valencia)

Enlace qumico

Curso 2014/15

Enlace inico Enlace covalente

Cuando se produce el enlace, cada tomo adquiere configuracin electrnica de gas noble (regla del octeto).

81

Representacin de los electrones de valencia: smbolos de Lewis

Representa los electrones de valencia en un tomo como puntos alrededor del

smbolo del elemento. (El nmero de e- de valencia de cualquier elemento

representativo es el mismo que la ltima cifra del nmero de su grupo)

2

1

13 14 15 16 17

18

Curso 2014/15

Enlace Inico

Los metales tienen, en general, pocos electrones en su capa de valencia y tienden a

perderlos (formando cationes) para quedar con la capa anterior completa (estructura de

gas noble)

Los no-metales tienen casi completa su capa de valencia y tienden a capturar los

electrones que les faltan convirtindose en aniones y conseguir asimismo la estructura

de gas noble.

Enlace inico: se forma al producirse la transferencia de uno o ms electrones de un tomo a otro, provocando la formacin de aniones y cationes.

82 Curso 2014/15

Enlace Inico

Como sabemos cuando se forma un enlace inico?

La diferencia de electronegatividad entre los tomos es un criterio

para saber si un enlace es inico o covalente

83 Curso 2014/15

Enlace Inico

84 Curso 2014/15

85

Sustancias inicas y sus propiedades

La sal comn (NaCl), minerales como la fluorita (CaF2), o los xidos e los metales, son ejemplos

de sustancias inicas.

Las sustancias que se forman por enlace inico NO son MOLECULARES, sino cristalinas.

Son slidos a temperatura ambiente, debido a que la fuerza de atraccin existente entre iones

de signo contrario hace que las posiciones de los iones sean fijas, y haya poca movilidad de

las partculas.

Presentan altos puntos de fusin y ebullicin, debido a que se requiere mucha energa para

romper las intensas fuerzas de enlace inico.

Son duros, entendindose por dureza como la oposicin que ofrece un material a ser rayado.

El rayado supone la ruptura de enlaces por procedimiento mecnico, lo cual resulta difcil

debido a la estabilidad de la estructura cristalina.

Son quebradizos, se fracturan al golearlos, formando cristales

de menor tamao. Al golpear el cristal se desplazan los iones,

quedando enfrentados los de igual carga, que se repelen.

Curso 2014/15

86

Muchos compuestos inicos, pero no todos, son solubles en agua

Los slidos inicos no conducen la electricidad, puesto que los iones tienen posiciones

fijas. Sin embargo, llegan a ser buenos conductores cuando estn disueltos en agua

(electrolitos) o fundidos, ya que entonces los iones son libres

para moverse por el lquido pudiendo producir corriente elctrica.

Sustancias inicas y sus propiedades

Curso 2014/15

Energa de red de los compuestos inicos

87 Curso 2014/15

Factores de los que depende la Energa de red

88 Curso 2014/15

Enlace covalente

Enlace covalente se forma entre dos elementos no metlicos o entre un

elemento no metlico y el hidrgeno, por

comparticin de electrones entre los tomos que se enlazan

Se produce entre elementos de electronegatividades no muy diferentes.

Cada pareja de electrones compartidos da lugar a un enlace covalente. El enlace puede ser sencillo, doble, o triple.

El enlace covalente es direccional y se genera en la lnea que conecta los dos ncleos.

89 Curso 2014/15

Estructuras de Lewis Molcula de Hidrgeno: H2

Tipos de enlaces covalentes:

Enlace covalente se origina por comparticin de electrones entre los tomos que se enlazan

Enlace covalente

90 Curso 2014/15

Teora de Lewis -- Regla del octete

Las configuraciones electrnicas de los

tomos de los gases nobles tienen algo

especial, que es la causa de su inercia

qumica, y los tomos de otros elementos se

combinan unos con otros para adquirir

configuraciones electrnicas como las de los

tomos de los gases nobles.

Los electrones se transfieren o se comparten de manera que

los tomos adquieren una configuracin electrnica muy

estable. Generalmente se trata de una configuracin

electrnica de gas noble, CON OCHO ELECTRONES MS

EXTERNOS. Este enunciado se conoce como REGLA DEL

OCTETO.

Enlace covalente

91 Curso 2014/15

Teora de Lewis -- Regla del octete

Enlace covalente

92

Par compartido

Par no compartido

Curso 2014/15

Enlace covalente

93

Curso 2014/15

Enlace covalente

94 Curso 2014/15

Enlace covalente

95

La energa de enlace se

define como la cantidad

de energa necesaria

para romper el enlace en

una molcula.

Curso 2014/15

Enlace covalente: estructuras de Lewis

Etapas para construir la estructura de Lewis de una molcula:

1. Calcular el nmero total de electrones de valencia de la molcula (si es

un ion, debe considerarse su carga: aniones se suman y cationes se restan

cargas).

2. Elegir el tomo central; ser aquel que posea un menor nmero de

electrones de valencia. Los tomos de H son siempre tomos terminales y

los de C son casi siempre tomos centrales. A continuacin se sitan

alrededor del tomo central los dems tomos unidos por enlaces

covalentes (formado por 2 electrones) por una lnea.

3. Por cada enlace simple formado, se restan 2 electrones del nmero total

de electrones de valencia. Con los electrones de valencia restantes,

completar primero los octetos de los tomos terminales (excepto H) y

despus, en la medida de lo posible, del tomo central.

4. Si el nmero de electrones que rodean al tomo central es menor de 8

convertir 1 o mas de los pares solitarios en pares de enlace formando

enlaces covalentes mltiples. 96 Curso 2014/15

Estructuras de Lewis

97 Curso 2014/15

Como se dibujan las estructuras de Lewis?

Ejemplo 1: CH4

C: 1s22s2p2 4e- H: 1s1 1e- x4= 4e- 8e- 1)

2) C

H

H

HH

2)

Ejemplo 2: H2CO

C: 1s22s2p2 4e- H: 1s1 1e- x2= 2e- O: 1s22s2p4 6e-

12e- 1)

H

H

C O

3) e- de v. libres: 12-6= 6 H

H

C O

4)

H

H

C O

Ejemplo 3: NH4+

98 Curso 2014/15

Excepciones a la regla del Octeto

Hay tres clases de excepciones a la regla del Octete:

a) Molculas con n de e- impar.

N O

NO (5+6=11 e- de valencia)

Otros ejemplos: ClO2, NO2

b) Molculas en las cuales un tomo tiene menos de un octete.

BF3 (3+7x3= 24 e- de valencia).

B

F

F

F

Ej: Compuestos de los grupos 1A, 2A y 3A.

99 Curso 2014/15

c)Molculas en las cuales un tomo tiene ms de un octete.

La clase ms amplia de molculas que violan la regla consiste en especies

en las que el tomo central est rodeado por mas de 4 pares de e-,

tienen octetes expandidos.

PCl5 XeF4

n de e- de v 5+7x5= 40 e-

P

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

n de e- de v 8+7x4= 36 e-

XeF

F F

F

Otros ejemplos: ClF3, SF4, XeF2

Todos estos tomos tienen orbitales d disponibles para el enlace (3d, 4d, 5d),

donde se alojan los pares de e- extras.

100 Curso 2014/15

Enlace covalente

101 Curso 2014/15

Estructuras de Lewis

En ocasiones es posible escribir ms de una estructura de Lewis para una

misma molcula:

Utilizando el concepto de carga formal podemos determinar cual es la

estructura de Lewis ms probable:

El valor de Cf debe ser lo menor posible

La Cf negativa debe aparecer en los tomos + electronegativo La Cf del mismo signo en tomos adyacentes es poco probable

C OH H

H

H

HH OC

H H

I II

102

C OH H

H

H

I) - Para C: Cf= 4-(0+8/2)= 0

- Para O: Cf= 6-(4+4/2)= 0

II) HH OC

H H

- Para C: Cf= 4-(2+6/2)= -1

- Para O: Cf= 6-(2+6/2)= +1

Correcta!

Curso 2014/15

Formas Resonantes En ciertas ocasiones la estructura de Lewis no describe correctamente las

propiedades de la molcula que representa.

Ejemplo: Experimentalmente el ozono tiene dos enlaces idnticos mientras

que en la estructura de Lewis aparecen uno doble (+ corto) y uno sencillo (+

largo).

103 Curso 2014/15

OOO

O

OO

Explicacin: Suponer que los enlaces son promedios de las posibles situaciones

Formas resonantes

- No son diferentes tipos de molculas, solo hay un tipo.

- Las estructuras son equivalentes.

- Slo difieren en la distribucin de los electrones, no de los tomos.

or

Ejemplos comunes: O3, NO3-, SO42-, CO32-, y benceno.

104 Curso 2014/15

Geometra molecular

105

Una molcula adopta la forma que minimiza la repulsin

electrosttica entre las entidades electrnicas de la capa de

valencia del tomo central (A).

Tipos de entidades electrnicas:

a) Electrones que forman parte de un enlace (sencillo, doble

triple) entre el tomo central y los tomos terminales (X).

b) Pares de electrones libres del tomo central (no participan en el

enlace) (E).

A

X X

Curso 2014/15

106

Geometra molecular

Curso 2014/15

Modelos geomtricos

en molculas AXn (todos los electrones

que rodean al tomo

central son de enlace,

n pares de e-).

107

N pares de e-

Geometra molecular

Curso 2014/15

N pares de e-

Geometra de los pares de e-

N pares de e- de enlace

N pares de e- de no enlace

Geometra molecular

Ejemplo

Modelos geomtricos en molculas AXnEm (uno o ms pares de e- que rodean al tomo central no son de enlace).

AX2E1

Geometra molecular: depende del nmero de pares de electrones de no enlace. 108

Curso 2014/15

N pares de e-




Geometra molecular

Ejemplo

Geometra Molecular

AX2E2

AX3E1

109 Curso 2014/15

Modelos geomtricos

en molculas AXnEm (uno o ms pares de

electrones que rodean al

tomo central no son de

enlace).

110

NH3 : AX3E H2O : AX2E2

______

Mayor repulsin

entre pares de

electrones libres

Menor ngulo de

enlace

Curso 2014/15

N pares de e-




Geometra molecular

Ejemplo

Geometra Molecular

AX2E3

AX4E1

AX3E2

111

Curso 2014/15

Molculas con ms de ocho electrones alrededor del tomo central

(octeto expandido)

5 pares de electrones: geometra electrnica de bipirmide triangular

Geometra molecular: depende del nmero de pares de electrones de no enlace.

AX4E

AX3E2

112 Curso 2014/15

Geometra Molecular

N pares de e-




Geometra molecular

Ejemplo

AX4E2

AX5E1

113 Curso 2014/15

6 pares de e-: geometra electrnica octadrica AX4E2

Geometra molecular: depende del nmero de pares de e- de no enlace.

AX4E2

114 Curso 2014/15

115

Ejemplos: SOF4, XeO2F2, SF4, ClF3, I3-, BrF5, XeF4

Curso 2014/15

Enlace covalente: polares y no polares

Enlace no polar: enlace covalente en el

cual los electrones de enlace estn

igualmente compartidos por los dos

tomos.

Enlace polar: enlace covalente en el cual

los electrones de enlace no estn

igualmente compartidos por los dos

tomos.

-

-

-

- -

-

-

-

-

-

- +

Otra manera de clasificar los enlaces covalentes es segn su polaridad

116 Curso 2014/15

Enlace covalente: Molculas polares

La polaridad del enlace suele describirse en trminos del carcter inico

parcial. (Se cuantifica a travs del momento dipolar)

Momento dipolar (): es una medida del desplazamiento de la carga en un enlace covalente. Es igual al producto de las cargas () por su distancia de separacin (d): = d El momento dipolar se expresa en Debye(D): 1 D = 3,33564310-30Cm

117 Curso 2014/15

118

Los momentos dipolares son magnitudes vectoriales: se

representan con el vector apuntando al extremo negativo

del enlace.

Para que una molcula sea polar es necesario:

a) Que tenga algn enlace polar.

b) Que la resultante de los vectores de los momentos

dipolares de enlace no sea nula.

Todas las molculas diatmicas heteronucleares son

polares

Diferenc

ia de

electron

egativid

ad

Carcte

r inico

porcent

ual

Diferenc

ia de

electron

egativid

ad

Carcte

r inico

porcent

ual

0,1 0,5 1,7 51

0,2 1 1,8 55

0,3 2 1,9 59

0,4 4 2,0 60

0,5 6 2,1 67

0,6 9 2,2 70

0,7 12 2,3 74

0,8 15 2,4 76

0,9 19 2,5 79

1,0 22 2,6 82

1,1 26 2,7 84

1,2 30 2,8 86

1,3 34 2,9 88

1,4 39 3 89

1,5 43 3,1 91

1,6 47 3,2 93

Curso 2014/15

119 Curso 2014/15

Si hay pares de no enlace la molcula es polar.

Ejercicio: Determinar la geometra y polaridad de las molculas: HCl,

NH3, BF3, CCl4 y CH3Cl

120

Si los pares de e- son de enlace, la molcula es no polar. Cuando los pares estn distribuidos simtricamente alrededor del tomo central.

Curso 2014/15

121

Sustancias covalentes y sus propiedades

Los enlaces covalentes pueden formar tanto sustancias moleculares como sustancias cristalinas.

a) Sustancias covalentes MOLECULARES: agua, N2, O2, CO2, etc

Son gases y lquidos a temperatura ambiente. Estas sustancias estn hechas de molculas

discretas formadas por un nmero limitado y reducido de tomos unidos entre s por las

intensas fuerzas del enlace covalente. Sin embargo, las fuerzas de cohesin entre las

molculas son dbiles, lo que explica que las sustancias covalentes moleculares presenten

estados gaseoso o lquido

Presentan puntos de fusin y ebullicin bajos. La debilidad de las fuerzas de atraccin entre

las molculas que componen estas sustancias hace que se necesite poca energa para

separarlas, por lo que fundir o hacer hervir estas sustancias es relativamente sencillo.

No conducen la electricidad, dado que los electrones del enlace estn fuertemente

localizados y atrados por los dos ncleos de los tomos que los comparten. Curso 2014/15

122

Sustancias covalentes y sus propiedades

b) Sustancias covalentes CRISTALINAS: diamante (C-C), Grafito (C-C),

cuarzo ( SiO2), etc

Son slidos a temperatura ambiente, presentan una gran dureza (mayor que la de los cristales

inicos), y tienen puntos de fusin muy altos. Esto se debe a que el enlace covalente entre los

tomos que forman el cristal es muy fuerte, por lo que se necesita mucha energa para romper

la red cristalina.

Son insolubles en todos los disolventes comunes. Para que se disuelvan, han de romperse los

enlaces covalentes de todo el slido, lo cual es muy complicado.

Son malos conductores de la electricidad (salvo el grafito). En la mayora de las sustancias de

red covalente no hay electrones mviles que puedan transportar una corriente .

Curso 2014/15

Enlace metlico

123

El enlace metlico se produce entre tomos de elementos

metlicos. Para explicarlo se recurre al modelo conocido como

modelo de la nube o mar de electrones

Los tomos de los metales tienen pocos electrones en su ltima

capa(1,2 3). Estos tomos pierden fcilmente esos electrones

de valencia y se convierten en iones positivos (Na+, Cu2+, Mg2+)

tratando de alcanzar la estructura estable del gas noble ms

prximo. Los iones positivos resultantes se ordenan en el

espacio formando la red metlica. Los electrones de valencia

desprendidos de los tomos forman una nube de electrones que

pueden desplazarse a travs de toda la red de iones. De este

modo, todo el conjunto de los iones positivos del metal queda

unido mediante la nube de electrones con carga negativa que

les envuelve. Se forma as una red cristalina tridimensional (los

metales no estn formados por molculas).

El enlace metlico es, por tanto, no direccional. Curso 2014/15

124

Sustancias metlicas y sus propiedades Ejemplos de sustancias metlicas:

Mercurio (Hg) Hierro (Fe) Magnesio (Mg) Oro (Au)

Los metales son slidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es lquido).

Presentan temperaturas de fusin y ebullicin muy elevadas.

Son muy buenos conductores de corriente elctrica: si se conecta el metal a los electrodos de

una pila, la nube de los electrones libres se puede poner fcilmente en movimiento, crendose

una corriente elctrica.

Son buenos conductores del calor, el calor se transporta a travs de los metales por las

colisiones entre electrones, que se producen con mucha frecuencia.

La mayora de los metales son dctiles (capaces de ser estirados para obtener alambres, hilos

o cables) y maleables (pueden extenderse en planchas o lminas delgadas). Los cristales

metlicos pueden deformarse sin

fracturarse o romperse.

Ductibilidad y maleabilidad de los metales. Curso 2014/15

125

Sustancias metlicas y sus propiedades

Muestran insolubilidad en agua y en otros disolventes comunes (tanto polares como apolares).

En algunos casos reaccionan con el disolvente.

Son muy solubles en estado fundido en otros metales, formando alecciones, es decir, mezclas

homogneas de metales, como el bronce (cobre y estao) o el latn (cobre y cinc)a veces

tambin hay mezclas con no metales, como, por ejemplo, el acero (hierro y carbono).

Poseen el caracterstico brillo metlico. Sin embargo al ser expuestos al aire reaccionan con el

oxgeno, tendiendo a formar xidos que alteran su aspecto y propiedades (proceso de

oxidacin) . Solo algunos metales , llamados metales nobles, como el oro y el platino, no se

oxidan, y son muy apreciados por ello.

Oxidacin. Curso 2014/15

Tema1 2014 15 Alumnos

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