Conceptos Fundamentales de Química: Materia, Átomos y Cálculos Esenciales

Fundamentos de Química

Conceptos Básicos de la Materia

• Química: Ciencia que estudia la materia (todo aquello que ocupa un espacio).
• Plasma: Estado de la materia donde los átomos están en un ambiente de altas temperaturas.
• Elementos: Sustancias compuestas por un solo tipo de átomos que no pueden transformarse en sustancias más simples.
• Compuestos: Sustancias formadas por distintos tipos de átomos combinados en una relación constante y sencilla.
• Mezclas Homogéneas: Presentan una sola fase y sus componentes no se pueden distinguir (ej. H₂O + C₆H₁₂O₆). Se pueden separar por evaporación o destilación.
• Mezclas Heterogéneas: Aquellas en las que sus componentes se pueden distinguir uno del otro.
• Fase: Porción de materia con límites definidos. Se pueden separar por filtración o decantación.

Fórmulas y Conversiones Fundamentales

• Densidad (d): `d = masa / volumen`
• Prefijos del Sistema Internacional:
  • Mili (m): 10^-3
  • Micro (µ): 10^-6
  • Nano (n): 10^-9
• Conversiones Comunes:
  • 1 Kilogramo (kg) = 1000 gramos (g)
  • 1 Docena = 12 unidades
• Conversiones de Temperatura:
  • Grados Celsius (°C) = 5/9 (°F - 32)
  • Kelvin (K) = °C + 273.15
  • Grados Fahrenheit (°F) = (9/5 * °C) + 32

Estructura Atómica y Propiedades

Teoría Atómica y Partículas Subatómicas

• Estructura Atómica: La teoría atómica de Dalton (1808) postula que la materia está constituida por pequeñas partículas llamadas átomos.
• Núcleo Atómico: Está constituido por protones y neutrones. Los electrones circulan lejos del núcleo.

Características de las Partículas Subatómicas

Ejemplo de Carga: O_8p+ = 8 x 1.97 x 10^-19

¿En qué se diferencia un átomo de otro? Los átomos diferentes tienen distinto número de protones y/o neutrones en su núcleo.

Notación Atómica e Isótopos

• Notación Atómica: ^A_ZC (donde A es la masa atómica y Z el número atómico). Ejemplo: ¹²₆C
• Ejemplo de Ion: Para ⁴⁰₁₉K⁺:
  • Protones (P⁺) = 19
  • Neutrones (N⁰) = 21 (40 - 19)
  • Electrones (e^-) = 18 (19 - 1 por la carga +1)
• Isótopos: Son átomos de un mismo elemento que tienen distinto número de neutrones en el núcleo.

Configuración Electrónica y Números Cuánticos

• Ejemplo de Configuración Electrónica: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d²
• Números Cuánticos (para 3d²):
  • Número Cuántico Principal (n) = 3
  • Número Cuántico Azimutal (l) = 2 (para orbital d)
  • Valores de 'l' para orbitales:
    • s = 0
    • p = 1
    • d = 2
    • f = 3
  • Número Cuántico Magnético (m_l): Para l=2, los valores posibles son -2, -1, 0, +1, +2.
  • Número Cuántico de Spin (m_s): +1/2 o -1/2.
  • Regla de Hund: Los electrones ocupan los orbitales individualmente con espines paralelos antes de aparearse. Para 3d², los dos electrones tendrían m_s = +1/2.

Estequiometría y Cálculos Químicos

Cálculo de Átomos y Moles

Problema: El calcio tiene una masa molar de 40.08 g/mol. ¿Cuántos átomos contiene 10 g de Ca?

Resolución:

40.08 g Ca ---------> 6.02 x 10²³ átomos de Ca (Número de Avogadro)
10 g Ca ------------> X

X = (10 g Ca * 6.02 x 10²³ átomos) / 40.08 g Ca ≈ 1.50 x 10²³ átomos de Ca

Determinación de Fórmula Empírica (Epinefrina)

Composición porcentual de Epinefrina: 59.0% C / 7.1% H / 26.2% O / 7.7% N

Pasos:

1. Convertir porcentajes a gramos (asumiendo 100g de muestra):
   • C: 59.0 g
   • H: 7.1 g
   • O: 26.2 g
   • N: 7.7 g
2. Convertir gramos a moles (dividiendo por la masa molar atómica):
   • C: 59.0 g / 12.01 g/mol ≈ 4.91 mol
   • H: 7.1 g / 1.01 g/mol ≈ 7.03 mol
   • O: 26.2 g / 16.00 g/mol ≈ 1.64 mol
   • N: 7.7 g / 14.01 g/mol ≈ 0.55 mol
3. Dividir todos los moles por el menor valor de moles (0.55 mol):
   • C: 4.91 / 0.55 ≈ 8.93 ≈ 9
   • H: 7.03 / 0.55 ≈ 12.78 ≈ 13
   • O: 1.64 / 0.55 ≈ 2.98 ≈ 3
   • N: 0.55 / 0.55 = 1

Fórmula Empírica: C₉H₁₃O₃N

Cálculos con Quinina (C₂₀H₂₄O₂N₂)

Problema: ¿Cuántas moléculas de quinina están contenidas en 1.08 g de quinina? ¿Cuántos moles de quinina?

Pasos:

1. Calcular la masa molar de la quinina:
   • C: 12.01 g/mol * 20 = 240.20 g/mol
   • H: 1.01 g/mol * 24 = 24.24 g/mol
   • O: 16.00 g/mol * 2 = 32.00 g/mol
   • N: 14.01 g/mol * 2 = 28.02 g/mol
   • Masa Molar Total: 240.20 + 24.24 + 32.00 + 28.02 = 324.46 g/mol
2. Calcular moles de quinina:
   • Moles = Masa / Masa Molar = 1.08 g / 324.46 g/mol ≈ 0.003328 mol
3. Calcular moléculas de quinina:
   • Moléculas = Moles * Número de Avogadro = 0.003328 mol * 6.02 x 10²³ moléculas/mol ≈ 2.00 x 10²¹ moléculas

Cálculos con Ácido Acético (CH₃COOH)

Problema: Se tienen 315 g de ácido acético (CH₃COOH).

a) Moles de CH₃COOH:

Masa Molar de CH₃COOH:

• C: 12.01 g/mol * 2 = 24.02 g/mol
• H: 1.01 g/mol * 4 = 4.04 g/mol
• O: 16.00 g/mol * 2 = 32.00 g/mol
• Masa Molar Total: 24.02 + 4.04 + 32.00 = 60.06 g/mol

Moles: Masa / Masa Molar = 315 g / 60.06 g/mol ≈ 5.245 mol

b) Moles de átomos de cada elemento:

• En 1 mol de CH₃COOH hay 2 moles de átomos de C, 4 moles de átomos de H y 2 moles de átomos de O.
• Moles de C: 5.245 mol CH₃COOH * (2 mol C / 1 mol CH₃COOH) = 10.49 mol de átomos de C
• Moles de H: 5.245 mol CH₃COOH * (4 mol H / 1 mol CH₃COOH) = 20.98 mol de átomos de H
• Moles de O: 5.245 mol CH₃COOH * (2 mol O / 1 mol CH₃COOH) = 10.49 mol de átomos de O

c) Número de átomos de cada elemento:

Para el Carbono (C):
315 g CH₃COOH * (1 mol CH₃COOH / 60.06 g CH₃COOH) * (2 mol C / 1 mol CH₃COOH) * (6.02 x 10²³ átomos C / 1 mol C)

Número de átomos de C ≈ 6.31 x 10²⁴ átomos de C

Composición Porcentual (SO₃)

Masa Molar de SO₃: S = 32.07 g/mol, O = 16.00 g/mol. Masa Molar SO₃ = 32.07 + (3 * 16.00) = 32.07 + 48.00 = 80.07 g/mol

• Porcentaje de Azufre (S): (32.07 / 80.07) * 100% ≈ 40.05%
• Porcentaje de Oxígeno (O): (48.00 / 80.07) * 100% ≈ 59.95%

Nomenclatura Química Inorgánica

Iones y Compuestos Iónicos

Un compuesto iónico se forma por la unión de iones (átomos o grupos de átomos con carga eléctrica).

Ejemplos de Iones y Nombres

• K⁺ = Ion Potasio
• N^-3 = Nitruro
• O^-2 = Óxido
• Br^- = Bromuro
• CN^- = Cianuro
• Fe⁺² = Ion Ferroso
• Fe⁺³ = Ion Férrico

Ejemplos de Compuestos Iónicos

• FeCl₂ = Cloruro Ferroso
• MnO = Óxido de Manganeso (II)
• N₂O₄ = Tetróxido de Dinitrógeno
• CH₄ = Metano
• HCl = Ácido Clorhídrico
• H₂SO₄ = Ácido Sulfúrico

Nomenclatura de Ácidos y Aniones

Nomenclatura de Ácidos Oxoácidos (según el estado de oxidación del no metal):

1. Hipo-___-oso (menor estado de oxidación)
2. ___-oso
3. ___-ico
4. Per-___-ico (mayor estado de oxidación)

Nomenclatura de Aniones (derivados de Oxoácidos):

Se cambia el sufijo del ácido:

• Ácido -oso → Anión -ito
• Ácido -ico → Anión -ato

Ejemplos de Aniones de Cloro:

• ClO^- = Hipoclorito
• ClO₂^- = Clorito
• ClO₃^- = Clorato
• ClO₄^- = Perclorato

Ejemplos Adicionales de Compuestos Químicos

NaOH

Hidróxido de Sodio

KOH

Hidróxido de Potasio

Ba(OH)₂

Hidróxido de Bario

Mn(OH)₂

Hidróxido de Manganeso (II)

CO₂

Dióxido de Carbono

Al₂O₃

Óxido de Aluminio

Cu₂O

Óxido Cuproso (Óxido de Cobre (I))

HBrO

Ácido Hipobromoso

Fe₂O₃

Óxido Férrico (Óxido de Hierro (III))

KClO₂

Clorito de Potasio

NH₄OH

Hidróxido de Amonio

MnO₂

Dióxido de Manganeso

FeSO₄

Sulfato de Hierro (II)

H₂Se

Ácido Selenhídrico

CaCO₃

Carbonato de Calcio

NH₃

Amoniaco

KClO₃

Clorato de Potasio

HCl

Ácido Clorhídrico

KMnO₄

Permanganato de Potasio

RbH

Hidruro de Rubidio

CsBr

Bromuro de Cesio

HF

Ácido Fluorhídrico

CuSO₄ · 5 H₂O

Sulfato de Cobre (II) Pentahidratado

Ni(OH)₃

Hidróxido Niquélico (Hidróxido de Níquel (III))

KHCO₃

Carbonato Ácido de Potasio (Bicarbonato de Potasio)

NaHSO₄

Bisulfato de Sodio (Sulfato Ácido de Sodio)

HClO₂

Ácido Cloroso

Mg(ClO₂)₂

Clorito de Magnesio

Au₂Se₃

Seleniuro Áurico (Seleniuro de Oro (III))

ZnCl₂

Cloruro de Zinc

Hidróxido de Bario

Ba(OH)₂

Ácido Perbrómico

HBrO₄

Nitrato de Plata

AgNO₃

Ácido Sulfhídrico

H₂S

Silicato de Sodio

Na₂SiO₃

Sulfato de Aluminio

Al₂(SO₄)₃

Carbonato de Calcio

CaCO₃

Dióxido de Nitrógeno

NO₂

Peróxido de Hidrógeno

H₂O₂

Óxido Mercúrico

HgO

Fosfato de Magnesio

Mg₃(PO₄)₂

Fluoruro de Aluminio

AlF₃