Introducción a la Química

Autor: Maestro en CienciasBioquímicas Genaro Matus Ortega

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La química está en nuestro mundoLa química está en nuestro mundo

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¿Qué es la Química?

La Química es la Cienciaque se encarga delestudio de la Materia, suspropiedades ytransformaciones...”transformaciones...”

• Tiene como objetivo el estudio de laMATERIA, su naturaleza, estructura,arreglo, función, composición ycaracterísticas de reaccionabilidadfísico-químicas de cada partícula. Asícomo los cambios que puedan ocurriren la materia.

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Estudiar Química implica…

• Entender la estructura“última” de la materia,

• Comprender sus partes,

• Integrarlas como untodo, para explicar larealidad material conformulaciones (Teorías),cimentadas en el MarcoTeórico Conceptual.w

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¿Qué es la materia?

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¿Qué es la Materia?

☞ “todo cuerpo que ocupa un lugar en el espacio, posee masa,densidad y volumen propio*; requiere energía para un cambio otransformación. Puede interactuar con un campoelectromagnético siempre que posea cargas parciales (+ y -); ytambién generar fuerzas gravitacionales al interactuar con otrasentidades materiales.”entidades materiales.”

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¿Qué es la Materia?

• Física Clásica: “cualquier partículasusceptible de ser acelerada porefecto de una y que oponeresistencia al movimiento (fuerza F =m a).

• Física Relativista: “todo aquello queposee cuatro manifestaciones oposee cuatro manifestaciones opropiedades fundamentales: Masa,Energía, Espacio y Tiempo”.

• Física Moderna: “partículas de spinsemi-entero que satisfacen elprincipio de exclusión de Pauli (nopuede haber dos fermiones en elmismo estado o número cuántico)”.

¡Calma! Para ingresar a la Universidades necesario revisar lo elemental yavanzar con seguridad y confianza.Hay tiempo suficientepara revisar el temario por completo.w

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Propiedades de la materia

Físicas

Extensivas oGenerales

Intensivas,específicas o

coligativasPropiedades de laPropiedades de la

materia

específicas ocoligativas

Químicas

Cuantitativas

Cualitativas u

organolépticas

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Propiedades Físicas de la materia

Propiedades Físicasde la materia

Extensivas(Generales)

Son aditivas y las presenta toda sustancia,dependen de la cantidad de masa.

Peso, inercia, longitud, volumen,divisibilidad.

de la materia

Intensivas(Específicas oColigativas)

Son cualitativas y sirven para distinguiro diferenciar una sustancia de otra. Nodependen de la cantidad de masa.

Color, dureza, densidad, solubilidad,temperatura, índice de refracción,puntos de fusión y ebullición, acidez...

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Propiedades Químicas de la Materia

Se manifiestan durante una reacción química. Algunas de ellas son:

• Combustibilidad (capacidad para reaccionar químicamente).• Poder oxidante (capacidad para ganar electrones)• Poder reductor• Acidez (capacidad de generar hidrogeniones en soluciones acuosas,• Acidez (capacidad de generar hidrogeniones en soluciones acuosas,

donar protones, o aceptar electrones)• Basicidad• Electronegatividad (capacidad de atraer electrones hacia sí)• Energía de ionización (energía que se debe aplicar para generar

iones),• Electropositividad• Afinidad Electrónica

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REACCIONES DE COMBUSTIÓN

Brevísimo paréntesis--- este tema se revisará con profundidad másadelante

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Reacciones de combustión• Grosso modo una reacción química implica ruptura o formación de enlaces químicos en los

que uno o más reactivos se transforman en producto(s). Pueden ser reversibles oirreversibles según la posibilidad de que los productos puedan generar reactivos.

R P o R → P• La combustióncombustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se libera

controladamente parte de la energía interna del combustible. Una parte de esa energía se vaa manifestar en forma de calor.a manifestar en forma de calor.

Una reacción de combustión comprende al menos 2 componentes:

• Combustible: Toda sustancia capaz de arder

• Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el combustible sufra oxidación

Combustible + Comburente → Gases de Combustión + Calor

• Normalmente se habla también de una fuente de ignición como iniciador de la reacción.www.g

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Reacciones de combustión

• Los componentes de un combustible se pueden clasificar en:

• Componentes combustibles (generadores de energía).

• Componentes inertes. Estos hay que eliminarlos y por lo tantoresultan perjudiciales .

Fases de la reacción de combustión:Fases de la reacción de combustión:

1. Fase de pre-rreacción (formación de radicales). Los compuestoshidrocarbonados se descomponen dando lugar a la formación de radicales(compuestos intermedios inestables (muy reactivos) -pues poseen almenos un electrón desapareado), para que el carbono y el hidrógenopuedan reaccionar con el oxígeno.

2. Fase de Oxidación: En esta fase se produce la combinación entre loselementos y el oxígeno. Es una fase muy exotérmica y es cuando tienelugar la propagación de la llama.

3. Fase de Terminación: Aquí se forman los compuestos estables. Elconjunto de estos compuestos es lo que llamamos gases de combustión.w

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Clasificación de los combustibles

Naturales o primarios

Sólidos:

• Carbón, madera, biomasa

• Algunos metales (costo muy elevado)

• Uranio (elemento radiactivo que genera la fisión en un reactor nuclear)• Uranio (elemento radiactivo que genera la fisión en un reactor nuclear)

Líquidos:

• Petróleo y sus derivados

• Gases

• Gas natural

• Gas licuado de petróleo (GLP)

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Clasificación de los combustibles

Artificiales o secundariosSólidos:

• Coque (destilado de carbón de hulla)

• Carbón vegetal (destilado de la madera a 250ºC)

• Aglomerado de hulla

• Biomasa residual (basura y residuos urbanos, estiércol, etc.)• Biomasa residual (basura y residuos urbanos, estiércol, etc.)

Líquidos:

• Alcoholes (destilados de la biomasa)

• Aceites de nafta y benzol (destilados de petróleo)

• Gaseosos

• Destilados de madera

• Destilados de la hulla

• Destilados de naftas de petróleo

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Producción de petróleo en el mundo

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Producción de gas natural en el mundo

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Producción de energéticos en el mundo

Petróleo Carbón Gas Natural

Líder mundial Arabia Saudita11.9 %

China 26.2 % Rusia 25.2 %

Rusia 9.2 % E. U. A. 20. 7 % E.U. A. 22.7 %Rusia 9.2 % E. U. A. 20. 7 % E.U. A. 22.7 %

E. U. A. 8.9 % India 7.4 % Canadá 7.3 %

Irán 5.3 % Rusia 5.2 % Inglaterra 3.8 %

China 4.8 % Sudáfrica 3.5 %

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Producción de energéticos en México

Petróleo y Gasnatural

Carbón

Estado líderproductor

Campeche 48.8 % Nuevo León 78.9%

Tabasco 24.7 % Coahuila 13.2 %Tabasco 24.7 % Coahuila 13.2 %

Chiapas 8.7 % Sonora 7.9 %

Tamaulipas 7.5 %

Nuevo León 6.1 %

Veracruz 3.9 %

Puebla 0.1 %

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Clasificación de los combustibles

Combustibles especiales Este tipo de combustibles generalmente se utilizan para impulsar cohetes o en usos militares.

Líquidos:

• H2 liquido + O2 liquido

• Kerosene + O2 liquido

• Dimetilhidracina [ NH2-N(CH3)2] + N2O4• Dimetilhidracina [ NH2-N(CH3)2] + N2O4

Sólidos:

• Perclorato amónico ( NH4ClO4)

• Pólvora (NaNO3 o KNO3 ,+ S + C )

• Se denomina combustible fósil al que proviene de restos orgánicos vegetales y animales y seextrae de la naturaleza. Ellos son el carbón, el petróleo y el gas natural.

• El petróleo es un combustible pero generalmente no se lo utiliza como tal directamente, sino que se locaracteriza como una excelente materia prima para obtener, mediante su refinación y tratamiento, otrassustancias de mayor importancia industrial como los gases licuados de petróleo (GLP), naftas, gas-oil, fuel-oil, y otros productos.w

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Propiedades de los combustibles

• Poder Calorífico: Cantidad de energíadesprendida en la reacción de combustión, referidaa la unidad empleada de combustible (Kg, Kmol,

m3). Se puede dividir en:

– Poder calorífico Superior (PCS): Expresa la cantidad de

calor que se desprende en la reacción completa de la unidad decombustible con el agua de los humos en forma líquida a 0 ºC y 1atm.

– Poder calorífico Inferior (PCI): Expresa la cantidad de– Poder calorífico Inferior (PCI): Expresa la cantidad decalor que se desprende en la reacción completa de launidad de combustible con el agua de los humos enestado de vapor.

• Limite de inflamabilidad: Propiedadcaracterística de los combustibles gaseosos.Establece la proporción de gas y airenecesaria para que se produzca lacombustión, indicando un límite superior yuno inferior.

• Ejemplo: PROPANO Límite inferior: 2,4 % Limitesuperior: 9,5 % w

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Propiedades de los combustibles

• Punto de inflamación: Temperaturamínima necesaria para que unareacción de combustión se produzca.

• Viscosidad: resistencia de un fluidoal movimiento (mD/k).

• Densidad: Este parámetro para saber• Densidad: Este parámetro para sabersi el gas combustible se acumula en eltecho o en el suelo, en caso de unafuga en un local cerrado.

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Poder calorífico de los combustibles

Combustible MJ/kg kcal/kg

Gas natural 53,6 12 800

Acetileno 48,55 11 600

PropanoGasolinaButano

46,0 11 000Butano

Gasoil 42,7 10 200

Fueloil 40,2 9 600

Antracita 34,7 8 300

Coque 32,6 7 800

Gas de alumbrado 29,3 7 000

Alcohol de 95º 28,2 6 740

Lignito 20,0 4 800

Turba 19,7 4 700

Hulla 16,7 4 000www.g

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MAPA CONCEPTUAL DE COMBUSTIBLES

Combustión

Reacción químicaexotérmica quegenera CO , luz.

Componentes Propiedadesgenera CO2, luz.

Combustible

Combustible Inerte

Comburente Poder caloríficoPunto de

inflamación

Viscosidad Densidad

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Mapa conceptual general

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Cambios Físicos vs Químicos

• Físicos: Cambia la formaexterna de la materia.

• Químicos: Cambia laestructura interna de lamateria (ocurre unaestructura interna de lamateria (ocurre unareacción), se forman orompen enlaces químicos.

• Reacción = re-arreglo o re-acomodo de los átomos ymoléculas

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¿Qué tipo de cambio ocurre?

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¿Qué es la energía?

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¿Qué es la Energía?

• “la capacidad que tiene un cuerpo de generarmovimiento”. (principio de actividad interna de la masa).

• Grosso modo hay dos tipos de energía:• Grosso modo hay dos tipos de energía:

• Potencial: Ep = m g Δh

• Cinética: Ec = 1/2 m v2

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Concepto de Potencial y cinético

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¿Beakman estaba mal?

PotencialPotencial PotencialPotencial

CinéticoCinético

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Manifestaciones de la energía

• Potencial: agua de una presa,resorte comprimido, batería oalimentos.

• Cinética: cualquier cuerpo en• Cinética: cualquier cuerpo enmovimiento.

Algunas manifestaciones energéticas comunes son las Energías: Química,Mecánica, Hidráulica, Lumínica, Eólica, Eléctrica, Térmica, Atómica.

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Entender la energía puede ser divertido

El Six Flags Great Adventure de Jackson, NuevaJersey. E. U. tiene la montaña rusa más alta delmundo, se llama Kingda Ka, alcanza los 208 km/hy mide 132 metros de altitud.

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Padres de la química

Robert Boyle(1627-1691)

Francis Bacon(1561-1626).

Lavoisier(1743-1794)

Berzelius1779-1848

Rescata yrevaloriza lapalabraChemistry

La Química como CienciaExperimental regida porobservación y elmétodo inductivo(particular a general)y deductivo (general aparticular)

Introducción de la Balanza

Ley de la conservaciónde la masa

Nomenclatura

Masas moleculares

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Ramas de la Química

• General: trata los principios teóricosfundamentales relativos a lacomposición y comportamiento de lamateria y la energía.

• Descriptiva: (orgánica e inorgánica)estudio de las características ypropiedades de las sustancias, supropiedades de las sustancias, sucomposición, forma en que reaccionany los métodos de obtención deproductos.

• Analítica: al análisis de las sustanciaspara la determinación de loscomponentes (Q. A. Cualitativa) y laproporción en que se encuentran (quees más bien el estudio de la Q. A.Cuantitativa).

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Interacciones y especializaciones

• Interacciones con otrasciencias:

La Fisicoquímica,Geoquímica,Cristaloquímica yBioquímica.Bioquímica.

• Especializaciones:La Química Nuclear,Química Cuántica,Radioquímica,Termoquímica,Petroquímica, etc.

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