La
magnitud cantidad de sustanciaaparece en 1961, como una magnitud diferente de la masa, y es una de
las siete magnitudes fundamentales del Sistema Internacional de Unidades. Aparece
gracias a la consolidación de la teoría atómico- molecular, ya que en una
reacción química se centra más la atención en la relación entre el número de
partículas que intervienen en la misma, que en los pesos de combinación.
Su
introducción hace posible, en pocas palabras, contar en el nivel microscópico
las entidades elementales a partir de las masas o los volúmenes de combinación
de las sustancias que reaccionan.
La Unión
Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), en el 2001, la define como
“la cantidad física proporcional al número de entidades elementales
—especificadas por una fórmula química— de las cuales la sustancia está
compuesta”.
El mol es la unidad de cantidad de
sustancia en el Sistema Internacional de Unidades. Su definición formal es:
Mol es la cantidad de sustancia de un sistema
que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 12 gramos de Carbono-12.
Pero
¿cuántos átomos hay en 12 gramos de 12C? Bueno, después de una
intensa actividad científica se logró determinar que son 6.02214199 X 1023
entidades elementales/mol. A éste número también se le conoce como número de
Avogadro.
El término
“cantidad elemental” debe entenderse como átomo, molécula, partícula, ión,
fórmula, etc. Por lo tanto es indispensable indicar cuáles son las entidades
elementales que se están contando, por ejemplo:
·1 mol de átomos
de carbono
·1 mol de moléculas
de agua
·1 mol de iones
Na+
·1 mol de electrones
No basta
decir “un mol de oxígeno”, pues no sabemos si nos referimos a un mol de átomos
de oxígeno (O), a un mol de moléculas de oxígeno (O2). Entonces
siempre tenemos que especificar las entidades elementales.
Ahora
recuerda un poco de tu química 1 y contesta:
¿Qué tipo
de sustancia tiene átomos?
¿Qué tipo de sustancia tiene moléculas?
Recordarás que las sustancias que tienen átomos son los elementos químicos: Na, Br, Ag, O, He...todos los de la tabla periódica. Y las sustancias que tienen moléculas son los compuesto: NaCl, HF, KOH, CO.
Cómo se mide la cantidad de sustancia
Cuando un
químico dice “necesito medio mol de plata”, ello es equivalente a nuestras
frases en la tienda: “deme un par de zapatos” o “deme dos docenas de
tortillas”: el químico desea la mitad de 6.022 X 1023 átomos de
plata. La gran diferencia es que el químico está pidiendo una cantidad enorme
de átomos. Ahora bien, ¿qué hace el químico para cumplir sus deseos? ¿Cómo
cuenta medio mol de átomos de plata? ¿Acaso tendrá que contar los átomos de uno
en uno? ¿Cómo verá los átomos y con qué pinzas microscópicas los irá tomando?
Es claro
que no es posible contar 6.022 X 1023 entidades elementales de la
misma forma que se cuentan naranjas u hojas de papel.
La
cantidad de sustancia se mide en forma indirecta, a través de una propiedad que
sea proporcional al número de entidades elementales. Tal propiedad puede ser la
masa o inclusive el volumen (bajo ciertas condiciones).
Mira a la derecha y baja el archivo anexo, enseguida resuelve los ejercicios planteados.
Una magnitud es una propiedad susceptible de ser medida. Se expresan mediante nombres y símbolos, asignados por convenio. Los símbolos se escriben siempre en cursiva. Una magnitud puede clasificarse como básica (algunas veces llamadas fundamentales) y derivadas.
Las magnitudes básicas son la longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa. Todas las demás magnitudes son derivadas y están en función correspondiente con las magnitudes básicas. Por ejemplo, la magnitud velocidad v, puede expresarse en función de las magnitudes distancia, d, y tiempo, t, por medio de la ecuación v = d/t.
La unidad no es más que un valor particular de la magnitud considerada; estas también pueden clasificarse en básicas y derivadas como las magnitudes. Por ejemplo, a partir de la unidad básica de longitud es posible definir el volumen.
Pues bien, para estudiar y comprender el comportamiento de los gases se tienen dos unidades derivadas: presión, P, y volumen, V y una unidad básica, la temperatura T, que a su vez son magnitudes físicas y; una unidad básica el mol, n, y una unidad derivada, el volumen molar, Vn, ambas magnitudes químicas.
La presión se define como fuerza aplicada por unidad de área; esto es,
como la unidad de fuerza es el newton, N, y la unidad de área el metro cuadrado,Sustituyendo estas unidades en la definición de presión tenemos,
de la sustitución anterior tenemos,
El pascal es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades y equivale a la presión que ejerce una fuerza de 1 newton sobre una superficie de 1 metro cuadrado.
Ahora bien, vivimos bajo una inmensa masa de gases que están sujetos a la atracción gravitacional de la Tierra, también llamada aire. En consecuencia, esta masa de gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto. Los humanos nos hemos adaptado fisiológicamente tan bien a la presión del aire alrededor de nosotros que por lo común no nos percatamos de su existencia.
A esta presión que ejerce la atmósfera sobre nosotros se le conoce como presión atmosférica. Hay muchas formas de demostrar la existencia de la presión atmosférica. Un ejemplo es nuestra habilidad para beber un líquido con un popote. Al succionar el aire del popote se crea un vacío el cual se llena rápido a medida que el fluido del recipiente es empujado hacia la parte superior del popote por la presión atmosférica.
Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica éste se puede construir llenando con mercurio un largo tubo de vidrio, cerrado de un extremo y después invirtiéndolo cuidadosamente en un recipiente con mercurio, asegurándose que no entre aire en el tubo. Pero mejor ve como se hace este experimento en el siguiente vídeo:
Como viste, el peso de la columna de mercurio que permanece en el tubo está soportado por la presión atmosférica que actúa sobre la superficie del mercurio en el recipiente. La presión atmosférica estándar (1 atmósfera o atm) es igual a la presión que soporta una columna de mercurio de exactamente 760 mm de altura a 0 °C al nivel del mar. En otras palabras, la presión atmosférica estándar es igual a la presión de 760 mm de Hg, donde mm de Hg representa la presión ejercida por una columna de mercurio de 1 mm de altura.
La unidad mm de Hg también se llama torr, en honor del científico italiano Evangelista Torricelli, quien inventó el barómetro.
Así
y por lo tanto las equivalencias entre estas unidades son:
La temperatura mide la cantidad de calor que tiene un cuerpo. Se refiere a las nociones que se tienen de frío y calor.
Actualmente se encuentran en uso tres escalas de temperatura. Sus unidades son K (Kelvin), °C (grado Celsius o centígrado) y °F (grado Fahrenheit). En la escala Fahrenheit se definen los puntos de fusión y ebullición normales del agua exactamente en 32 °F y 212 °F, en ese orden. En la escala Celsius se divide en 100 grados el intervalo comprendido entre el punto de congelación (0 °C) y el de ebullición (100 °C) del agua. La escala Celsius es generalmente la más usada en el ámbito científico. El Kelvin es la unidad fundamental en el Sistema Internacional.
Comparación de las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit.
Nótese que hay 100 divisiones, o 100 grados, entre el punto de
congelación y el punto de ebullición del agua en la escala Celsius,
y hay 180 divisiones, 180 grados, entre las mismas dos temperaturas
límites de la escala Fahrenheit.
El tamaño de un grado en la escala Fahrenheit es de solo 100/180 o sea 5/9 de un grado Celsius. Para convertir grados Fahrenheit a grados Celsius, se tiene:
Para convertir grados Celsius a grados Fahrenheit, se tiene:
En 1848 Lord Kelvin identificó la temperatura -273.15 °C como teóricamente la menor temperatura alcanzable, llamándola cero absoluto. Con el cero absoluto como punto de partida, él estableció una escala de temperatura absoluta, ahora llamada escala de temperatura Kelvin. Un grado Celsius es igual en magnitud a un Kelvin, K, (nótese que la escala de temperatura absoluta no tiene signo de grado, así que 25 K se llama veinticinco kelvins). La única diferencia entre la escala de temperatura absoluta y la escala Celsius es que la posición del cero es diferente. Los puntos importantes de la escala se ajustan como sigue:
La relación entre grados Celsius y grados Kelvin es:
Finalmente, la relación que existe entre las tres escalas de temperatura mencionadas se muestra en la siguiente imagen:
El volumen puede definirse como el espacio que ocupa un cuerpo. Es por ello que es una longitud elevada al cubo, si en el Sistema Internacional la unidad de longitud es el metro (m), entonces en el SI la unidad de volumen será el metro cúbico (m3). Sin embargo, es común que los químicos trabajen con volúmenes mucho menores, como son el centímetro cúbico (cm3) y el decímetro cúbico (dm3):
Otra unidad común de volumen es el litro, L, (pero que no pertenece al SI). Un litro se define como el volumen ocupado por un decímetro cúbico. Un volumen de un litro es igual a 1000 mililitros (mL) o 1000 cm3:
y un mililitro de volumen es igual a un centímetro cúbico:
En la siguiente figura se comparan los tamaños relativos de dos volúmenes, los volúmenes generalmente se expresan e litros y mililitros:
El mol es la unidad definida por el Sistema Internacional para la cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos,moléculas, iones u otras partículas) como átomos hay exactamente en 12 gramos de carbono 12. El valor aceptado en la actualidad es:
Este número se llama número de Avogadro, en honor del científico italiano Amadeo Avogadro.
La idea de una unidad para describir un número particular de objetos no es nueva. Por ejemplo, el par son dos cosas, la docena son 12 cosas, la centena son 100 cosas y la gruesa son 144 cosas:
Por lo tanto en químico un mol es:
Se ha visto que 1 mol de átomos de carbono 12 tiene masa exactamente de 12 gramos y contiene 6.022045 x1023 átomos. Esta cantidad de masa se llama masa molar y es la masa (en gramos o kilogramos) de 1 mol de unidades (átomos, moléculas o iones) de la sustancia. Lo anterior significa que:
Una docena de huevos, galletas, tenedores y globos son 12 unidades pero cada docena tiene una masa diferente. Así: 1 mol de sodio son 6.022045 x1023 átomos de sodio pero su masa es de 22.99 gramos (esto lo sacamos de la tabla periódica, es decir su masa atómica). En consecuencia 1 mol de agua son 6.022045 x1023 moléculas de agua y su masa es de 16 gramos (su masa molecular es decir, la suma de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxigeno). Con los datos anteriores podemos establecer las siguientes igualdades:
El volumen molar de un gas es el volumen que ocupa una mol de gas en condiciones normales de presión y temperatura, el cual es igual a 22.4 L. Este valor resulta de conocer la densidad de los gases y su masa molecular así 1 mol de O2 es = 32 gramos, 1 mol de H2 es = 2
gramos y 1 mol de Cl2 es = 71 gramos. Por lo tanto:
El término condiciones normales de presión y temperatura corresponde a una temperatura de 0 °C (273.15 K) y una presión de 1 atm.
La palabra gas fue propuesta por el el científico Jan Baptista Van Helmont en la primera mitad del siglo XVII. Deriva del vocablo latín chaos que significa "sustancia sutil". Sin embargo, se seguía utilizando "aire" para aquello que se desprendía o era volátil.
Un gas es un estado de agregación de la materia que presenta ciertas características que los identifican. En la naturaleza los podemos encontrar de forma libre la siguiente imagen muestra los elementos que son gases en condiciones atmosféricas normales. Nótese que el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor y cloro existen como moléculas gaseosas diatómicas H2, N2, O2, F2 y Cl2.
Ubicación de los elementos gaseosos en la tabla periódica
Un alótropo del oxígeno, el ozono (O3), es también un gas a temperatura ambiente. Todos los elementos del grupo 8A, los gases nobles, son gases monoatómicos: He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn (helio, neón, argón, xenón y radón).
Existen otros gases que forman compuestos como ácido sulfhídrico (H2S) y el ácido cianhídrico (HCN) que son venenos mortales. Algunos otros, como monóxido de carbono (CO), dióxido de nitrógeno (NO2), ozono (O3) y dióxido de azufre (SO2) son menos tóxicos. Los gases He, Ne y Ar son químicamente inertes; esto es, no reaccionan con ninguna otra sustancia. La mayoría de los gases son incoloros, pero otros tienen lindos colores.
Color de algunos gases y otros gases
En este punto es útil distinguir entre "gas" y "vapor", dos términos que a menudos se usan de manera indistinta, pero que no significan exactamente lo mismo. Un gas es una sustancia que normalmente se encuentra en el estado gaseoso a temperaturas y presiones ordinarias; un vapor es la forma gaseosa de cualquier sustancia que es líquida o sólida a temperatura y presión normales. Así, se dice que a 25 °C y 1 atm de presión, el agua es vapor y el oxígeno gas.
Sabemos de ordinario que toda materia está constituida por partículas y que son estas las que originan el estado en el que se formarán. Así pues, en un gas sus partículas están muy separadas por lo que sus fuerzas de cohesión son prácticamente nulas y su energía cinética es elevada. No así en los sólidos y líquidos:
Partículas separadas en un gas
Los gases no tienen volumen definido, por lo que tienden a ocupar todo el recipiente que los contienen. De la misma manera, no tienen forma específica y toman la forma del recipiente que los contiene.
Los gases son elásticos, es decir, pueden comprimirse o expandirse, por lo que ejercen una presión sobre las paredes del recipiente que los contiene.
Los gases tienen densidades bajas y se difunden fácilmente, es decir, se mezclan unos con otros.
Las partículas azules se mezclan con las partículas rojas = difusión de los gases
En 1738, Bernoulli propuso una teoría, conocida como Teoría cinética molecular, para explicar el comportamiento del estado gaseoso. Los principales postulados son:
Un gas está formado por moléculas que están separadas entre sí por distancias grandes, mucho mayores que sus propias dimensiones. Se puede considerar a las moléculas como "puntos"; esto es, poseen masa pero tienen un volumen despreciable.
Las moléculas de los gases están en constante movimiento aleatorio en todas direcciones y frecuentemente chocan unas con otras. Las colisiones entre las moléculas son perfectamente elásticas. A pesar de que se puede transferir la energía de una molécula a otra como resultado de las colisiones, la energía total del conjunto de moléculas del sistema permanece constante.
Las moléculas de los gases no ejercen entre sí fuerzas de atracción ni de repulsión.
La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura del gas en kelvins. Dos gases cualesquiera que sean a la misma temperatura tendrán la misma energía cinética promedio. La energía cinética promedio de una molécula está dada por:
donde m es la masa de la molécula y u su velocidad. La barra horizontal denota valor promedio. La cantidad se denomina velocidad cuadrática media; es el promedio de los cuadrados de las velocidades de todas las moléculas:
donde N es el número total de moléculas presente.
Para poder estudiar el comportamiento de los gases es necesario conocer las magnitudes fundamentales que están involucradas en él:
La palabra atmósfera se deriva de las raíces griegas atmós = vapor y sphair = esfera. También puede ser definida como una mezcla de gases que constituyen el aire. Los gases que lo forman son: nitrógeno (N2) en un 78%, oxígeno (O2) en un 21% y otros en 1% ¿Cuáles otros? bióxido de carbono (CO2), vapor de agua H2Og, hidrógeno (H2) argón (Ar); así como también de partículas de polvo, humo y otras. Estos gases se mantienen ahí gracias a la gravedad terrestre.
La atmósfera se extiende desde el suelo que pisamos hasta confundirse con espacio. Tiene un grosor aproximado de aproximadamente 900 Km y ha sido observad y estudiada por medio de radiosondeos, de cohetes y de satélites artificiales.
La atmósfera
La atmósfera tiene muchas funciones para permitir la vida en la Tierra. Nos protege de los meteoritos y la radiación ultravioleta del sol. La vida en el planeta es gracias al oxígeno y al bióxido de carbono: ayuda en la fotosíntesis y la respiración. Al interactuar con la tierra (litosfera) y el agua (hidrosfera) tiene na gran influencia en la formación del suelo y la vegetación. Además tiene la función importante de mantener el calor en la Tierra, lo cual permite tener un clima favorable.
La evolución de la atmósfera terrestre
parece ser la única, en nuestro sistema solar, en la que se han combinado diferentes factores para la
creación de la vida y en la que los procesos biológicos son una parte importante en la regulación de los
distintos constituyentes atmosféricos. Hay muchas teorías sobre el origen de la atmósfera y los océanos. La mas aceptada, propone que la
tierra, en sus principios, no tenía una atmósfera gaseosa. La tierra era relativamente más pequeña y no tenía
una gran fuerza de gravedad para retener los componentes gaseosos ligeros muy comunes en ese tiempo:
Hidrógeno y Helio. Conforme el tiempo pasó, la tierra aumentó de tamaño y masa, pues tanto
meteoritos como pequeños planetas chocaban con ella, aumentando consecuentemente su fuerza de
gravedad y la capacidad de retener lo elementos gaseosos. Eventualmente, la tierra fue suficientemente
grande para retener una atmósfera.
El punto inicial en la evolución de la atmósfera muy probablemente fue una atmósfera con grandes
cantidades de nitrógeno, vapor de agua y dióxido de carbono y con menores concentraciones de gases
nobles. Conforme la tierra se fue enfriando, el vapor de agua se fue condensando y precipitándose,
formando los océanos; mientras que la mayor parte del dióxido de carbono formó rocas dejando libre el nitrógeno para formar la atmósfera. El oxígeno molecular, O2, permanece atrapado por el campo gravitacional y
forma parte de los procesos de oxidación y de los procesos biológicos, tales como la respiración y la fotosíntesis en la superficie terrestre. El nitrógeno, por el contrario, proviene
del interior de la tierra, principalmente a través de las erupciones volcánicas.
La atmósfera se divide en cinco zonas muy bien diferenciadas por las diferentes características que éstas presentan:
Troposfera. El término viene del griego Tropos que significa "girar". Es la zona de mayor densidad; se extiende desde el nivel del mar (0 metros) hasta los 12 km en promedio. Aquí se producen los fenómenos meteorológicos que afectan la vida sobre la Tierra. Al límite superior de esta zona se le conoce como tropopausa.
Estratosfera. La palabra se deriva del vocablo latín Stratum que significa "capa estratificada". Se eleva hasta los 50 km de altitud. Aproximadamente a los 25 km no hay vientos y la temperatura es constante, lo que permite el vuelo de los aviones. Pero más arriba hay una zona donde abunda el ozono, O3, que absrbe la radiación ultravioleta del sol, también es llamada ozonosfera. Al límite superior de esta zona se le conoce como estratopausa.
Mesosfera. Deriva del vocablo griego Meso que significa "medio". Esta zona alcanza una altura de 80 km de altitud. Aquí la temperatura desciende hasta alcanzar los -110 °C. Los meteoritos son detenidos en esta zona y a su límite superior se le conoce como mesopausa.
Termosfera. Alcanza hasta los 600 km de altitud y las temperaturas superan los 1 500 °C es por ello que la densidad del aire es muy baja. Aquí los gases se ionizan por la temperaturas altas formando el cuarto estado de la materia, el plasma. Este plasma permite que se observen las auroras boreales y australes en las regiones polares de la Tierra. Por la ionización también se le conoce como ionosfera. Al límite superior de esta zona se le llama termopausa.
Exosfera. Se extiende hasta confundirse con el espacio interestelar. Su densidad es muy baja. En esta zona gravitan los satélites artificiales.
La tabla periódica es un diagrama en el cual se organizan los elementos químicos de acuerdo a su número atómico. Consta de columnas verticales llamadas "familias" (hay 18 de ellas) y filas horizontales llamadas "periodos" (hay 7 de ellos). En ella podemos visualizar los símbolos químicos de dichos elementos así como mucha información en torno al átomo del elemento, entre otras, el número atómico, la masa atómica, las valencias o estados de oxidación, etcétera. El siguiente vídeo ayudará a ir entendiendo la estructura de la tabla periódica.
Vídeo de introducción a la tabla periódica
Más información sobre las diferentes clasificaciones en la tabla y datos sobre las propiedades periódicas las puedes consultar en la siguiente presentación.
El siguiente link te ayudará a manejar mucho mejor la tabla periódica. Es una tabla interactiva en la cual podrás ver definiciones, propiedades físicas y químicas, orbitales, isótopos, compuestos químicos.
