A NATUREZA DA MATERIA

IacuteNDICE 1 CAMBIOS NA MATERIA 11 Cambios fiacutesicos 12 Cambios quiacutemicos 2 CLASIFICACIOacuteN DA MATERIA 21 Substancias puras elementos e compostos 22 Mesturas homoxeacuteneas e heteroxeacuteneas 23 Separacioacuten dos compontildeentes dunha mestura 3 AS LEIS PONDERAIS 31 Lei de conservacioacuten da masa 32 Lei das proporcioacutens definidas 33 Teoriacutea atoacutemica de Dalton 4 TEORIacuteA ATOacuteMICA DE DALTON 31 Lei de conservacioacuten da masa 5 LEIS VOLUMEacuteTRICAS 51 Lei dos volumes de combinacioacuten 52 Hipoacutetese de Avogadro 6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL

61 O mol 611 Mol e masa 612 Mol e volume de gases 7 OS GASES 71 As leis dos gases 72 Gas ideal Ecuacioacuten de estado 8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES 81 Foacutermulas moleculares 82 Foacutermulas empiacutericas 83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica 84 Composicioacuten centesimal dunha substancia 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares 9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS 10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS 11 ESPECTROSCOPIacuteA

1

1 Cambios na materia Coa materia podemos facer dous tipos de transformacioacutens cambios fiacutesicos e quiacutemicos 11 Cambios fiacutesicos Se temos cafeacute en gran e o moemos seguimos tendo cafeacute agora en po Se temos auga soacutelida e a quentamos teremos auga liacutequida Cando disolvemos azucre en auga seguimos tendo azucre e auga que podemos separar doadamente Cando a materia se somete a un cambio fiacutesico non cambian as substancias que forman esa materia En moitos casos poacutedese volver doadamente por procedementos fiacutesicos aacute situacioacuten inicial 12 Cambios quiacutemicos Cando o vintildeo se avinagra ou un anaco de madeira se queima si cambian as substancias O etanol do vintildeo desaparece e foacutermase o aacutecido aceacutetico do vinagre Os compontildeentes da madeira desaparecen foacutermanse gases e queda un resto carbonoso soacutelido que chamamos cinza Cando se altera a composicioacuten da materia que experimenta o cambio cando se altera a natureza das substancias que a forman atopaacutemonos ante un cambio quiacutemico Son sinxelos de recontildeecer pois foacutermanse novas substancias e desaparecen as que tintildeamos ao principio Estes cambios quiacutemicos chaacutemanse reaccioacutens quiacutemicas e seraacuten obxecto dun estudo detido noutros capiacutetulos

2 Clasificacioacuten da materia Segundo a suacutea composicioacuten e propiedades distiacutenguense diferentes tipos de materia Unha primeira clasificacioacuten permiacutetenos distinguir entre substancias puras e mesturas 21 Substancias puras elementos e compostos A palabra substancia na linguaxe cotiaacute utiliacutezase como sinoacutenimo de materia pero en linguaxe cientiacutefica ten un significado moi concreto como se indica a continuacioacuten As substancias puras tentildeen unha composicioacuten constante que se pode representar por unha foacutermula ou un siacutembolo e tentildeen unha serie de propiedades caracteriacutesticas que permite identificalas como a densidade os puntos de fusioacuten e de ebulicioacuten a calor especiacutefica a condutividade eleacutectrica o caraacutecter oxidante Unha substancia pura como o cobre poacutedese identificar pola suacutea densidade 896 gcm3 polo seu punto de fusioacuten 1083 ordm C e polo seu punto de ebulicioacuten 2567 ordmC

2

Outra substancia pura a auga poacutedese identificar pola suacutea densidade 0998 gcm3 polo seu punto de fusioacuten 0 ordm C e polo seu punto de ebulicioacuten 100 ordm C Aacute suacutea vez as substancias puras poacutedense clasificar en elementos e compostos Elementos estaacuten formados por un soacute tipo de aacutetomos non se poden

descompontildeer en substancias maacuteis simples Exemplos a prata (Ag) o aluminio (Al) Os elementos represeacutentanse mediante unha ou duacuteas letras (a primeira maiuacutescula e a segunda minuacutescula) que reciben o nome de siacutembolo do elemento Todos os elementos contildeecidos estaacuten clasificados na Taacuteboa Perioacutedica que teacutes no APEacuteNDICE xunto cun listado do seu nome e siacutembolo

Compostos estaacuten formados por dous ou maacuteis elementos Por meacutetodos

quiacutemicos poacutedense descompontildeer nos elementos que os forman Exemplos a auga (H2O) que se pode descompontildeer en hidroacutexeno (H2) e osiacutexeno (O2) o sal comuacuten ou cloruro soacutedico (NaCl) que se pode descompontildeer en cloro (Cl2) e sodio (Na) A partiacutecula maacuteis pequena dun composto chaacutemase moleacutecula e estaacute formada pola unioacuten dos aacutetomos dos elementos que forman o composto Os compostos represeacutentanse mediante unha foacutermula que indica que elementos forman o composto e cantos aacutetomos de cada un forman unha moleacutecula de composto P ex a foacutermula do butano eacute C4H10 o que indica que o butano estaacute formado por carbono e hidroacutexeno e que cada moleacutecula estaacute formada por 4 aacutetomos de carbono e 10 de hidroacutexeno

22 Mesturas homoxeacuteneas e heteroxeacuteneas Estaacuten formadas por duacuteas ou maacuteis substancias puras que conservan as suacuteas propiedades caracteriacutesticas eacute dicir as propiedades das mesturas participan das propiedades das substancias que as forman Unha mestura de auga e azucre conserva o estado fiacutesico da auga e o sabor doce do azucre A diferenza das substancias puras as mesturas non tentildeen unha composicioacuten fixa polo que tampouco as suacuteas propiedades son constantes Non tentildeen unha densidade constante senoacuten que esta depende das densidades dos seus compontildeentes e da proporcioacuten en que estes se atopen Tampouco tentildeen como tentildeen as substancias puras puntos de fusioacuten e de ebulicioacuten caracteriacutesticos As mesturas aacute suacutea vez poden ser homoxeacuteneas ou heteroxeacuteneas Mesturas homoxeacuteneas tentildeen aspecto uniforme e a suacutea composicioacuten eacute a

mesma en toda a mestura Chaacutemaselles disolucioacutens Exemplos a auga do mar o vintildeo o aire o aceiro inoxidable

Mesturas heteroxeacuteneas a simple vista poacutedense apreciar partes diferenciadas

A composicioacuten non eacute igual en toda a mestura Exemplos area con azucre o granito

3

23 Separacioacuten dos compontildeentes dunha mestura En calquera mestura se poden separar as substancias que a forman utilizando procedementos fiacutesicos baseaacutendonos en propiedades que son diferentes para os distintos compontildeentes da mestura Para separar unha mestura de area e azucre baseariaacutemonos na diferente solubilidade destas substancias en auga Engadiriamos auga aacute mestura e o azucre disolveriacutease pero a area non Filtrando teriamos a area e se queremos recuperar o azucre separariaacutemola da auga baseaacutendonos en que estas substancias pasan a estado gasoso a diferentes temperaturas Deixariamos que se evaporase a auga e quedariacuteanos o azucre no fondo do recipiente

Figura 1 Clasificacioacuten da materia

3 As leis ponderais As leis ponderais correspoacutendense cos primeiros estudos cientiacuteficos sobre os cambios quiacutemicos realizados na segunda metade do seacuteculo XVIII Para comprender a dificultade destes primeiros pasos da quiacutemica como ciencia hai que ter en conta que entoacuten non se contildeeciacutea como contildeecemos agora a natureza atoacutemica da materia Para xustificar estas leis Dalton elaborou a principios do seacuteculo XIX a primeira teoriacutea atoacutemica de caraacutecter cientiacutefico 31 Lei de conservacioacuten da masa Os primeiros quiacutemicos compartiron un interese especial por contildeecer a relacioacuten entre as cantidades das substancias iniciais e finais que interventildeen nun cambio quiacutemico Foi Lavoisier considerado o pai da Quiacutemica quen tras unha utilizacioacuten sistemaacutetica da balanza establece a finais do seacuteculo XVIII a primeira lei das combinacioacutens quiacutemicas a lei de conservacioacuten da masa

4

Durante un cambio quiacutemico a masa do sistema permanece invariable ou dito doutra forma a masa dos corpos reaccionantes (substancias iniciais) eacute igual aacute masa dos produtos da reaccioacuten (substancias finais) Ao reaccionar 2 g de hidroacutexeno con 16 g de osiacutexeno dan 18 g de auga (2 + 16 = 18) 32 Lei das proporcioacutens definidas Proust ao igual que Lavoisier utilizando sistematicamente a balanza e o meacutetodo cientiacutefico chegou aacute conclusioacuten de que todo composto conteacuten sempre os mesmos elementos nas mesmas proporcioacutens En 1801 deu a contildeecer a lei das proporcioacutens definidas Cando dous ou maacuteis elementos se combinan para formar un determinado composto fano nunha relacioacuten de peso constante Asiacute sempre que o hidroacutexeno e o osiacutexeno se combinan para formar auga fano nunha relacioacuten masa de osiacutexeno por masa de hidroacutexeno (mosiacutexeno mhidroacutexeno) igual a 8 Isto permiacutetenos saber p ex que cantidade de osiacutexeno se combinaraacute con 50 g de hidroacutexeno para formar auga pois mosiacutexeno 50 = 8 logo a masa de osiacutexeno seraacute 400 g 33 Lei das proporcioacutens muacuteltiples Eacute posible que a combinacioacuten de dous ou maacuteis elementos orixine maacuteis de un uacutenico composto O quiacutemico ingleacutes John Dalton atopou unha relacioacuten entre as cantidades dun mesmo elemento que interveacuten na formacioacuten de compostos distintos Cando unha mesma cantidade dun elemento reacciona con cantidades distintas doutro elemento para formar compostos diferentes entoacuten as masas do outro elemento mantentildeen entre si unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Por exemplo o ferro e o osiacutexeno poden reaccionar entre eles para formar dous compostos distintos Se collemos 100 gramos de cada un veremos que

- composto 1 conteacuten 777 gramos de ferro e 223 gramos de osiacutexeno - composto 2 conteacuten 699 gramos de ferro e 301 gramos de osiacutexeno

Se collemos unha mesma cantidade de ferro por exemplo 10 gramos e miramos a cantidade de osiacutexeno que con el se combina para formar cada un dos dous compostos anteriores veriamos que

- composto 1 872777

322

10 x

xg de osiacutexeno

- composto 2 314969

130

10 x

xg de osiacutexeno

Asiacute atendendo aacute lei das proporcioacutens muacuteltiples sucede que 2

3501

872

314

5

4 TEORIacuteA ATOacuteMICA DE DALTON As leis anteriores non se puideron xustificar ata que Dalton formulou en 1803 a suacutea teoriacutea atoacutemica cos seguintes postulados 1 Os elementos quiacutemicos estaacuten constituiacutedos por partiacuteculas moi pequenas e indestrutibles chamadas aacutetomos 2 Todos os aacutetomos dun mesmo elemento quiacutemico son iguais en masa e demais propiedades 3 Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen diferente masa e propiedades 4 Os compostos foacutermanse pola unioacuten de aacutetomos de diferentes elementos nunha relacioacuten numeacuterica sinxela Dalton utilizou siacutembolos para representar os aacutetomos alguacutens deles son

Figura 2 Alguacutens siacutembolos atoacutemicos de Dalton Os postulados da teoriacutea de Dalton permiten explicar doadamente por exemplo a lei de conservacioacuten da masa Ao ser os aacutetomos indivisibles unha reaccioacuten quiacutemica non cambia nin a cantidade nin o tipo de aacutetomos simplemente estes agruacutepanse de forma diferente Polo tanto ao non desaparecer aacutetomos non cambia a masa Esta teoriacutea supuxo un grande avance ao permitir xustificar o que aconteciacutea nas reaccioacutens quiacutemicas pero aiacutenda asiacute non explicaba ben o que sucediacutea co volume dos gases durante as reaccioacutens quiacutemicas Veremos isto no seguinte apartado

5 LEIS VOLUMEacuteTRICAS Moitos elementos e compostos son gases e resulta maacuteis doado medir o volume que a masa polo que se realizaron multitude de experiencias medindo volumes e non masas Tales experimentos deron como conclusioacuten as seguintes leis 51 Lei dos volumes de combinacioacuten Gay Lussac estudou as relacioacutens entre os volumes dos gases iniciais e finais dun cambio quiacutemico e en 1808 formulou a lei dos volumes de combinacioacuten

Osiacutexeno Hidroacutexeno Carbono Ferro

6

En calquera reaccioacuten quiacutemica os volumes de todas as substancias gasosas que interventildeen na reaccioacuten gardan unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Exemplos

1 litro de osiacutexeno e 2 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de auga (122) 1 litro de nitroacutexeno e 3 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de amoniacuteaco (132)

Isto non se podiacutea xustificar a partir da teoriacutea de Dalton Asiacute por exemplo para o caso da auga deberiamos agardar que se obtivera 1 litro e auga partindo de dous litros de hidroacutexeno e un litro de osiacutexeno segundo o esquema seguinte

Figura 3 Predicioacuten da teoriacutea de Dalton para a formacioacuten da auga

Como vemos de ninguacuten xeito a teoriacutea de Dalton pode explicar a relacioacuten 122 52 Hipoacutetese de Avogadro Avogadro en 1811 suxire que as partiacuteculas de gases elementais (hidroacutexeno osiacutexeno nitroacutexeno fluacuteor cloro) non son aacutetomos senoacuten agrupacioacutens de aacutetomos aacutes que chamou moleacuteculas Ademais para xustificar o comportamento dos volumes dos gases nas reaccioacutens quiacutemicas introduce a suacutea hipoacutetese que di asiacute En volumes iguais de gases diferentes medidos coas mesmas condicioacutens de presioacuten e de temperatura existe o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Asiacute en un litro de calquera gas sempre que midamos nas mesmas condicioacutens de presioacuten e temperatura haberaacute o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Se aplicamos a hipoacutetese de Avogadro a unha reaccioacuten entre gases podemos xustificar a Lei dos volumes de combinacioacuten para a auga Segundo Avogadro ambos gases estaacuten formados por moleacuteculas diatoacutemicas que ao reaccionar se combinan formando duacuteas moleacuteculas de auga (cada unha delas formada por dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno)

Figura 4 Comprobacioacuten da Lei dos volumes de combinacioacuten

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

1

1 Cambios na materia Coa materia podemos facer dous tipos de transformacioacutens cambios fiacutesicos e quiacutemicos 11 Cambios fiacutesicos Se temos cafeacute en gran e o moemos seguimos tendo cafeacute agora en po Se temos auga soacutelida e a quentamos teremos auga liacutequida Cando disolvemos azucre en auga seguimos tendo azucre e auga que podemos separar doadamente Cando a materia se somete a un cambio fiacutesico non cambian as substancias que forman esa materia En moitos casos poacutedese volver doadamente por procedementos fiacutesicos aacute situacioacuten inicial 12 Cambios quiacutemicos Cando o vintildeo se avinagra ou un anaco de madeira se queima si cambian as substancias O etanol do vintildeo desaparece e foacutermase o aacutecido aceacutetico do vinagre Os compontildeentes da madeira desaparecen foacutermanse gases e queda un resto carbonoso soacutelido que chamamos cinza Cando se altera a composicioacuten da materia que experimenta o cambio cando se altera a natureza das substancias que a forman atopaacutemonos ante un cambio quiacutemico Son sinxelos de recontildeecer pois foacutermanse novas substancias e desaparecen as que tintildeamos ao principio Estes cambios quiacutemicos chaacutemanse reaccioacutens quiacutemicas e seraacuten obxecto dun estudo detido noutros capiacutetulos

2 Clasificacioacuten da materia Segundo a suacutea composicioacuten e propiedades distiacutenguense diferentes tipos de materia Unha primeira clasificacioacuten permiacutetenos distinguir entre substancias puras e mesturas 21 Substancias puras elementos e compostos A palabra substancia na linguaxe cotiaacute utiliacutezase como sinoacutenimo de materia pero en linguaxe cientiacutefica ten un significado moi concreto como se indica a continuacioacuten As substancias puras tentildeen unha composicioacuten constante que se pode representar por unha foacutermula ou un siacutembolo e tentildeen unha serie de propiedades caracteriacutesticas que permite identificalas como a densidade os puntos de fusioacuten e de ebulicioacuten a calor especiacutefica a condutividade eleacutectrica o caraacutecter oxidante Unha substancia pura como o cobre poacutedese identificar pola suacutea densidade 896 gcm3 polo seu punto de fusioacuten 1083 ordm C e polo seu punto de ebulicioacuten 2567 ordmC

2

Outra substancia pura a auga poacutedese identificar pola suacutea densidade 0998 gcm3 polo seu punto de fusioacuten 0 ordm C e polo seu punto de ebulicioacuten 100 ordm C Aacute suacutea vez as substancias puras poacutedense clasificar en elementos e compostos Elementos estaacuten formados por un soacute tipo de aacutetomos non se poden

descompontildeer en substancias maacuteis simples Exemplos a prata (Ag) o aluminio (Al) Os elementos represeacutentanse mediante unha ou duacuteas letras (a primeira maiuacutescula e a segunda minuacutescula) que reciben o nome de siacutembolo do elemento Todos os elementos contildeecidos estaacuten clasificados na Taacuteboa Perioacutedica que teacutes no APEacuteNDICE xunto cun listado do seu nome e siacutembolo

Compostos estaacuten formados por dous ou maacuteis elementos Por meacutetodos

quiacutemicos poacutedense descompontildeer nos elementos que os forman Exemplos a auga (H2O) que se pode descompontildeer en hidroacutexeno (H2) e osiacutexeno (O2) o sal comuacuten ou cloruro soacutedico (NaCl) que se pode descompontildeer en cloro (Cl2) e sodio (Na) A partiacutecula maacuteis pequena dun composto chaacutemase moleacutecula e estaacute formada pola unioacuten dos aacutetomos dos elementos que forman o composto Os compostos represeacutentanse mediante unha foacutermula que indica que elementos forman o composto e cantos aacutetomos de cada un forman unha moleacutecula de composto P ex a foacutermula do butano eacute C4H10 o que indica que o butano estaacute formado por carbono e hidroacutexeno e que cada moleacutecula estaacute formada por 4 aacutetomos de carbono e 10 de hidroacutexeno

22 Mesturas homoxeacuteneas e heteroxeacuteneas Estaacuten formadas por duacuteas ou maacuteis substancias puras que conservan as suacuteas propiedades caracteriacutesticas eacute dicir as propiedades das mesturas participan das propiedades das substancias que as forman Unha mestura de auga e azucre conserva o estado fiacutesico da auga e o sabor doce do azucre A diferenza das substancias puras as mesturas non tentildeen unha composicioacuten fixa polo que tampouco as suacuteas propiedades son constantes Non tentildeen unha densidade constante senoacuten que esta depende das densidades dos seus compontildeentes e da proporcioacuten en que estes se atopen Tampouco tentildeen como tentildeen as substancias puras puntos de fusioacuten e de ebulicioacuten caracteriacutesticos As mesturas aacute suacutea vez poden ser homoxeacuteneas ou heteroxeacuteneas Mesturas homoxeacuteneas tentildeen aspecto uniforme e a suacutea composicioacuten eacute a

mesma en toda a mestura Chaacutemaselles disolucioacutens Exemplos a auga do mar o vintildeo o aire o aceiro inoxidable

Mesturas heteroxeacuteneas a simple vista poacutedense apreciar partes diferenciadas

A composicioacuten non eacute igual en toda a mestura Exemplos area con azucre o granito

3

23 Separacioacuten dos compontildeentes dunha mestura En calquera mestura se poden separar as substancias que a forman utilizando procedementos fiacutesicos baseaacutendonos en propiedades que son diferentes para os distintos compontildeentes da mestura Para separar unha mestura de area e azucre baseariaacutemonos na diferente solubilidade destas substancias en auga Engadiriamos auga aacute mestura e o azucre disolveriacutease pero a area non Filtrando teriamos a area e se queremos recuperar o azucre separariaacutemola da auga baseaacutendonos en que estas substancias pasan a estado gasoso a diferentes temperaturas Deixariamos que se evaporase a auga e quedariacuteanos o azucre no fondo do recipiente

Figura 1 Clasificacioacuten da materia

3 As leis ponderais As leis ponderais correspoacutendense cos primeiros estudos cientiacuteficos sobre os cambios quiacutemicos realizados na segunda metade do seacuteculo XVIII Para comprender a dificultade destes primeiros pasos da quiacutemica como ciencia hai que ter en conta que entoacuten non se contildeeciacutea como contildeecemos agora a natureza atoacutemica da materia Para xustificar estas leis Dalton elaborou a principios do seacuteculo XIX a primeira teoriacutea atoacutemica de caraacutecter cientiacutefico 31 Lei de conservacioacuten da masa Os primeiros quiacutemicos compartiron un interese especial por contildeecer a relacioacuten entre as cantidades das substancias iniciais e finais que interventildeen nun cambio quiacutemico Foi Lavoisier considerado o pai da Quiacutemica quen tras unha utilizacioacuten sistemaacutetica da balanza establece a finais do seacuteculo XVIII a primeira lei das combinacioacutens quiacutemicas a lei de conservacioacuten da masa

4

Durante un cambio quiacutemico a masa do sistema permanece invariable ou dito doutra forma a masa dos corpos reaccionantes (substancias iniciais) eacute igual aacute masa dos produtos da reaccioacuten (substancias finais) Ao reaccionar 2 g de hidroacutexeno con 16 g de osiacutexeno dan 18 g de auga (2 + 16 = 18) 32 Lei das proporcioacutens definidas Proust ao igual que Lavoisier utilizando sistematicamente a balanza e o meacutetodo cientiacutefico chegou aacute conclusioacuten de que todo composto conteacuten sempre os mesmos elementos nas mesmas proporcioacutens En 1801 deu a contildeecer a lei das proporcioacutens definidas Cando dous ou maacuteis elementos se combinan para formar un determinado composto fano nunha relacioacuten de peso constante Asiacute sempre que o hidroacutexeno e o osiacutexeno se combinan para formar auga fano nunha relacioacuten masa de osiacutexeno por masa de hidroacutexeno (mosiacutexeno mhidroacutexeno) igual a 8 Isto permiacutetenos saber p ex que cantidade de osiacutexeno se combinaraacute con 50 g de hidroacutexeno para formar auga pois mosiacutexeno 50 = 8 logo a masa de osiacutexeno seraacute 400 g 33 Lei das proporcioacutens muacuteltiples Eacute posible que a combinacioacuten de dous ou maacuteis elementos orixine maacuteis de un uacutenico composto O quiacutemico ingleacutes John Dalton atopou unha relacioacuten entre as cantidades dun mesmo elemento que interveacuten na formacioacuten de compostos distintos Cando unha mesma cantidade dun elemento reacciona con cantidades distintas doutro elemento para formar compostos diferentes entoacuten as masas do outro elemento mantentildeen entre si unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Por exemplo o ferro e o osiacutexeno poden reaccionar entre eles para formar dous compostos distintos Se collemos 100 gramos de cada un veremos que

- composto 1 conteacuten 777 gramos de ferro e 223 gramos de osiacutexeno - composto 2 conteacuten 699 gramos de ferro e 301 gramos de osiacutexeno

Se collemos unha mesma cantidade de ferro por exemplo 10 gramos e miramos a cantidade de osiacutexeno que con el se combina para formar cada un dos dous compostos anteriores veriamos que

- composto 1 872777

322

10 x

xg de osiacutexeno

- composto 2 314969

130

10 x

xg de osiacutexeno

Asiacute atendendo aacute lei das proporcioacutens muacuteltiples sucede que 2

3501

872

314

5

4 TEORIacuteA ATOacuteMICA DE DALTON As leis anteriores non se puideron xustificar ata que Dalton formulou en 1803 a suacutea teoriacutea atoacutemica cos seguintes postulados 1 Os elementos quiacutemicos estaacuten constituiacutedos por partiacuteculas moi pequenas e indestrutibles chamadas aacutetomos 2 Todos os aacutetomos dun mesmo elemento quiacutemico son iguais en masa e demais propiedades 3 Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen diferente masa e propiedades 4 Os compostos foacutermanse pola unioacuten de aacutetomos de diferentes elementos nunha relacioacuten numeacuterica sinxela Dalton utilizou siacutembolos para representar os aacutetomos alguacutens deles son

Figura 2 Alguacutens siacutembolos atoacutemicos de Dalton Os postulados da teoriacutea de Dalton permiten explicar doadamente por exemplo a lei de conservacioacuten da masa Ao ser os aacutetomos indivisibles unha reaccioacuten quiacutemica non cambia nin a cantidade nin o tipo de aacutetomos simplemente estes agruacutepanse de forma diferente Polo tanto ao non desaparecer aacutetomos non cambia a masa Esta teoriacutea supuxo un grande avance ao permitir xustificar o que aconteciacutea nas reaccioacutens quiacutemicas pero aiacutenda asiacute non explicaba ben o que sucediacutea co volume dos gases durante as reaccioacutens quiacutemicas Veremos isto no seguinte apartado

5 LEIS VOLUMEacuteTRICAS Moitos elementos e compostos son gases e resulta maacuteis doado medir o volume que a masa polo que se realizaron multitude de experiencias medindo volumes e non masas Tales experimentos deron como conclusioacuten as seguintes leis 51 Lei dos volumes de combinacioacuten Gay Lussac estudou as relacioacutens entre os volumes dos gases iniciais e finais dun cambio quiacutemico e en 1808 formulou a lei dos volumes de combinacioacuten

Osiacutexeno Hidroacutexeno Carbono Ferro

6

En calquera reaccioacuten quiacutemica os volumes de todas as substancias gasosas que interventildeen na reaccioacuten gardan unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Exemplos

1 litro de osiacutexeno e 2 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de auga (122) 1 litro de nitroacutexeno e 3 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de amoniacuteaco (132)

Isto non se podiacutea xustificar a partir da teoriacutea de Dalton Asiacute por exemplo para o caso da auga deberiamos agardar que se obtivera 1 litro e auga partindo de dous litros de hidroacutexeno e un litro de osiacutexeno segundo o esquema seguinte

Figura 3 Predicioacuten da teoriacutea de Dalton para a formacioacuten da auga

Como vemos de ninguacuten xeito a teoriacutea de Dalton pode explicar a relacioacuten 122 52 Hipoacutetese de Avogadro Avogadro en 1811 suxire que as partiacuteculas de gases elementais (hidroacutexeno osiacutexeno nitroacutexeno fluacuteor cloro) non son aacutetomos senoacuten agrupacioacutens de aacutetomos aacutes que chamou moleacuteculas Ademais para xustificar o comportamento dos volumes dos gases nas reaccioacutens quiacutemicas introduce a suacutea hipoacutetese que di asiacute En volumes iguais de gases diferentes medidos coas mesmas condicioacutens de presioacuten e de temperatura existe o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Asiacute en un litro de calquera gas sempre que midamos nas mesmas condicioacutens de presioacuten e temperatura haberaacute o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Se aplicamos a hipoacutetese de Avogadro a unha reaccioacuten entre gases podemos xustificar a Lei dos volumes de combinacioacuten para a auga Segundo Avogadro ambos gases estaacuten formados por moleacuteculas diatoacutemicas que ao reaccionar se combinan formando duacuteas moleacuteculas de auga (cada unha delas formada por dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno)

Figura 4 Comprobacioacuten da Lei dos volumes de combinacioacuten

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

2

Outra substancia pura a auga poacutedese identificar pola suacutea densidade 0998 gcm3 polo seu punto de fusioacuten 0 ordm C e polo seu punto de ebulicioacuten 100 ordm C Aacute suacutea vez as substancias puras poacutedense clasificar en elementos e compostos Elementos estaacuten formados por un soacute tipo de aacutetomos non se poden

descompontildeer en substancias maacuteis simples Exemplos a prata (Ag) o aluminio (Al) Os elementos represeacutentanse mediante unha ou duacuteas letras (a primeira maiuacutescula e a segunda minuacutescula) que reciben o nome de siacutembolo do elemento Todos os elementos contildeecidos estaacuten clasificados na Taacuteboa Perioacutedica que teacutes no APEacuteNDICE xunto cun listado do seu nome e siacutembolo

Compostos estaacuten formados por dous ou maacuteis elementos Por meacutetodos

quiacutemicos poacutedense descompontildeer nos elementos que os forman Exemplos a auga (H2O) que se pode descompontildeer en hidroacutexeno (H2) e osiacutexeno (O2) o sal comuacuten ou cloruro soacutedico (NaCl) que se pode descompontildeer en cloro (Cl2) e sodio (Na) A partiacutecula maacuteis pequena dun composto chaacutemase moleacutecula e estaacute formada pola unioacuten dos aacutetomos dos elementos que forman o composto Os compostos represeacutentanse mediante unha foacutermula que indica que elementos forman o composto e cantos aacutetomos de cada un forman unha moleacutecula de composto P ex a foacutermula do butano eacute C4H10 o que indica que o butano estaacute formado por carbono e hidroacutexeno e que cada moleacutecula estaacute formada por 4 aacutetomos de carbono e 10 de hidroacutexeno

22 Mesturas homoxeacuteneas e heteroxeacuteneas Estaacuten formadas por duacuteas ou maacuteis substancias puras que conservan as suacuteas propiedades caracteriacutesticas eacute dicir as propiedades das mesturas participan das propiedades das substancias que as forman Unha mestura de auga e azucre conserva o estado fiacutesico da auga e o sabor doce do azucre A diferenza das substancias puras as mesturas non tentildeen unha composicioacuten fixa polo que tampouco as suacuteas propiedades son constantes Non tentildeen unha densidade constante senoacuten que esta depende das densidades dos seus compontildeentes e da proporcioacuten en que estes se atopen Tampouco tentildeen como tentildeen as substancias puras puntos de fusioacuten e de ebulicioacuten caracteriacutesticos As mesturas aacute suacutea vez poden ser homoxeacuteneas ou heteroxeacuteneas Mesturas homoxeacuteneas tentildeen aspecto uniforme e a suacutea composicioacuten eacute a

mesma en toda a mestura Chaacutemaselles disolucioacutens Exemplos a auga do mar o vintildeo o aire o aceiro inoxidable

Mesturas heteroxeacuteneas a simple vista poacutedense apreciar partes diferenciadas

A composicioacuten non eacute igual en toda a mestura Exemplos area con azucre o granito

3

23 Separacioacuten dos compontildeentes dunha mestura En calquera mestura se poden separar as substancias que a forman utilizando procedementos fiacutesicos baseaacutendonos en propiedades que son diferentes para os distintos compontildeentes da mestura Para separar unha mestura de area e azucre baseariaacutemonos na diferente solubilidade destas substancias en auga Engadiriamos auga aacute mestura e o azucre disolveriacutease pero a area non Filtrando teriamos a area e se queremos recuperar o azucre separariaacutemola da auga baseaacutendonos en que estas substancias pasan a estado gasoso a diferentes temperaturas Deixariamos que se evaporase a auga e quedariacuteanos o azucre no fondo do recipiente

Figura 1 Clasificacioacuten da materia

3 As leis ponderais As leis ponderais correspoacutendense cos primeiros estudos cientiacuteficos sobre os cambios quiacutemicos realizados na segunda metade do seacuteculo XVIII Para comprender a dificultade destes primeiros pasos da quiacutemica como ciencia hai que ter en conta que entoacuten non se contildeeciacutea como contildeecemos agora a natureza atoacutemica da materia Para xustificar estas leis Dalton elaborou a principios do seacuteculo XIX a primeira teoriacutea atoacutemica de caraacutecter cientiacutefico 31 Lei de conservacioacuten da masa Os primeiros quiacutemicos compartiron un interese especial por contildeecer a relacioacuten entre as cantidades das substancias iniciais e finais que interventildeen nun cambio quiacutemico Foi Lavoisier considerado o pai da Quiacutemica quen tras unha utilizacioacuten sistemaacutetica da balanza establece a finais do seacuteculo XVIII a primeira lei das combinacioacutens quiacutemicas a lei de conservacioacuten da masa

4

Durante un cambio quiacutemico a masa do sistema permanece invariable ou dito doutra forma a masa dos corpos reaccionantes (substancias iniciais) eacute igual aacute masa dos produtos da reaccioacuten (substancias finais) Ao reaccionar 2 g de hidroacutexeno con 16 g de osiacutexeno dan 18 g de auga (2 + 16 = 18) 32 Lei das proporcioacutens definidas Proust ao igual que Lavoisier utilizando sistematicamente a balanza e o meacutetodo cientiacutefico chegou aacute conclusioacuten de que todo composto conteacuten sempre os mesmos elementos nas mesmas proporcioacutens En 1801 deu a contildeecer a lei das proporcioacutens definidas Cando dous ou maacuteis elementos se combinan para formar un determinado composto fano nunha relacioacuten de peso constante Asiacute sempre que o hidroacutexeno e o osiacutexeno se combinan para formar auga fano nunha relacioacuten masa de osiacutexeno por masa de hidroacutexeno (mosiacutexeno mhidroacutexeno) igual a 8 Isto permiacutetenos saber p ex que cantidade de osiacutexeno se combinaraacute con 50 g de hidroacutexeno para formar auga pois mosiacutexeno 50 = 8 logo a masa de osiacutexeno seraacute 400 g 33 Lei das proporcioacutens muacuteltiples Eacute posible que a combinacioacuten de dous ou maacuteis elementos orixine maacuteis de un uacutenico composto O quiacutemico ingleacutes John Dalton atopou unha relacioacuten entre as cantidades dun mesmo elemento que interveacuten na formacioacuten de compostos distintos Cando unha mesma cantidade dun elemento reacciona con cantidades distintas doutro elemento para formar compostos diferentes entoacuten as masas do outro elemento mantentildeen entre si unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Por exemplo o ferro e o osiacutexeno poden reaccionar entre eles para formar dous compostos distintos Se collemos 100 gramos de cada un veremos que

- composto 1 conteacuten 777 gramos de ferro e 223 gramos de osiacutexeno - composto 2 conteacuten 699 gramos de ferro e 301 gramos de osiacutexeno

Se collemos unha mesma cantidade de ferro por exemplo 10 gramos e miramos a cantidade de osiacutexeno que con el se combina para formar cada un dos dous compostos anteriores veriamos que

- composto 1 872777

322

10 x

xg de osiacutexeno

- composto 2 314969

130

10 x

xg de osiacutexeno

Asiacute atendendo aacute lei das proporcioacutens muacuteltiples sucede que 2

3501

872

314

5

4 TEORIacuteA ATOacuteMICA DE DALTON As leis anteriores non se puideron xustificar ata que Dalton formulou en 1803 a suacutea teoriacutea atoacutemica cos seguintes postulados 1 Os elementos quiacutemicos estaacuten constituiacutedos por partiacuteculas moi pequenas e indestrutibles chamadas aacutetomos 2 Todos os aacutetomos dun mesmo elemento quiacutemico son iguais en masa e demais propiedades 3 Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen diferente masa e propiedades 4 Os compostos foacutermanse pola unioacuten de aacutetomos de diferentes elementos nunha relacioacuten numeacuterica sinxela Dalton utilizou siacutembolos para representar os aacutetomos alguacutens deles son

Figura 2 Alguacutens siacutembolos atoacutemicos de Dalton Os postulados da teoriacutea de Dalton permiten explicar doadamente por exemplo a lei de conservacioacuten da masa Ao ser os aacutetomos indivisibles unha reaccioacuten quiacutemica non cambia nin a cantidade nin o tipo de aacutetomos simplemente estes agruacutepanse de forma diferente Polo tanto ao non desaparecer aacutetomos non cambia a masa Esta teoriacutea supuxo un grande avance ao permitir xustificar o que aconteciacutea nas reaccioacutens quiacutemicas pero aiacutenda asiacute non explicaba ben o que sucediacutea co volume dos gases durante as reaccioacutens quiacutemicas Veremos isto no seguinte apartado

5 LEIS VOLUMEacuteTRICAS Moitos elementos e compostos son gases e resulta maacuteis doado medir o volume que a masa polo que se realizaron multitude de experiencias medindo volumes e non masas Tales experimentos deron como conclusioacuten as seguintes leis 51 Lei dos volumes de combinacioacuten Gay Lussac estudou as relacioacutens entre os volumes dos gases iniciais e finais dun cambio quiacutemico e en 1808 formulou a lei dos volumes de combinacioacuten

Osiacutexeno Hidroacutexeno Carbono Ferro

6

En calquera reaccioacuten quiacutemica os volumes de todas as substancias gasosas que interventildeen na reaccioacuten gardan unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Exemplos

1 litro de osiacutexeno e 2 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de auga (122) 1 litro de nitroacutexeno e 3 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de amoniacuteaco (132)

Isto non se podiacutea xustificar a partir da teoriacutea de Dalton Asiacute por exemplo para o caso da auga deberiamos agardar que se obtivera 1 litro e auga partindo de dous litros de hidroacutexeno e un litro de osiacutexeno segundo o esquema seguinte

Figura 3 Predicioacuten da teoriacutea de Dalton para a formacioacuten da auga

Como vemos de ninguacuten xeito a teoriacutea de Dalton pode explicar a relacioacuten 122 52 Hipoacutetese de Avogadro Avogadro en 1811 suxire que as partiacuteculas de gases elementais (hidroacutexeno osiacutexeno nitroacutexeno fluacuteor cloro) non son aacutetomos senoacuten agrupacioacutens de aacutetomos aacutes que chamou moleacuteculas Ademais para xustificar o comportamento dos volumes dos gases nas reaccioacutens quiacutemicas introduce a suacutea hipoacutetese que di asiacute En volumes iguais de gases diferentes medidos coas mesmas condicioacutens de presioacuten e de temperatura existe o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Asiacute en un litro de calquera gas sempre que midamos nas mesmas condicioacutens de presioacuten e temperatura haberaacute o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Se aplicamos a hipoacutetese de Avogadro a unha reaccioacuten entre gases podemos xustificar a Lei dos volumes de combinacioacuten para a auga Segundo Avogadro ambos gases estaacuten formados por moleacuteculas diatoacutemicas que ao reaccionar se combinan formando duacuteas moleacuteculas de auga (cada unha delas formada por dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno)

Figura 4 Comprobacioacuten da Lei dos volumes de combinacioacuten

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

3

23 Separacioacuten dos compontildeentes dunha mestura En calquera mestura se poden separar as substancias que a forman utilizando procedementos fiacutesicos baseaacutendonos en propiedades que son diferentes para os distintos compontildeentes da mestura Para separar unha mestura de area e azucre baseariaacutemonos na diferente solubilidade destas substancias en auga Engadiriamos auga aacute mestura e o azucre disolveriacutease pero a area non Filtrando teriamos a area e se queremos recuperar o azucre separariaacutemola da auga baseaacutendonos en que estas substancias pasan a estado gasoso a diferentes temperaturas Deixariamos que se evaporase a auga e quedariacuteanos o azucre no fondo do recipiente

Figura 1 Clasificacioacuten da materia

3 As leis ponderais As leis ponderais correspoacutendense cos primeiros estudos cientiacuteficos sobre os cambios quiacutemicos realizados na segunda metade do seacuteculo XVIII Para comprender a dificultade destes primeiros pasos da quiacutemica como ciencia hai que ter en conta que entoacuten non se contildeeciacutea como contildeecemos agora a natureza atoacutemica da materia Para xustificar estas leis Dalton elaborou a principios do seacuteculo XIX a primeira teoriacutea atoacutemica de caraacutecter cientiacutefico 31 Lei de conservacioacuten da masa Os primeiros quiacutemicos compartiron un interese especial por contildeecer a relacioacuten entre as cantidades das substancias iniciais e finais que interventildeen nun cambio quiacutemico Foi Lavoisier considerado o pai da Quiacutemica quen tras unha utilizacioacuten sistemaacutetica da balanza establece a finais do seacuteculo XVIII a primeira lei das combinacioacutens quiacutemicas a lei de conservacioacuten da masa

4

Durante un cambio quiacutemico a masa do sistema permanece invariable ou dito doutra forma a masa dos corpos reaccionantes (substancias iniciais) eacute igual aacute masa dos produtos da reaccioacuten (substancias finais) Ao reaccionar 2 g de hidroacutexeno con 16 g de osiacutexeno dan 18 g de auga (2 + 16 = 18) 32 Lei das proporcioacutens definidas Proust ao igual que Lavoisier utilizando sistematicamente a balanza e o meacutetodo cientiacutefico chegou aacute conclusioacuten de que todo composto conteacuten sempre os mesmos elementos nas mesmas proporcioacutens En 1801 deu a contildeecer a lei das proporcioacutens definidas Cando dous ou maacuteis elementos se combinan para formar un determinado composto fano nunha relacioacuten de peso constante Asiacute sempre que o hidroacutexeno e o osiacutexeno se combinan para formar auga fano nunha relacioacuten masa de osiacutexeno por masa de hidroacutexeno (mosiacutexeno mhidroacutexeno) igual a 8 Isto permiacutetenos saber p ex que cantidade de osiacutexeno se combinaraacute con 50 g de hidroacutexeno para formar auga pois mosiacutexeno 50 = 8 logo a masa de osiacutexeno seraacute 400 g 33 Lei das proporcioacutens muacuteltiples Eacute posible que a combinacioacuten de dous ou maacuteis elementos orixine maacuteis de un uacutenico composto O quiacutemico ingleacutes John Dalton atopou unha relacioacuten entre as cantidades dun mesmo elemento que interveacuten na formacioacuten de compostos distintos Cando unha mesma cantidade dun elemento reacciona con cantidades distintas doutro elemento para formar compostos diferentes entoacuten as masas do outro elemento mantentildeen entre si unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Por exemplo o ferro e o osiacutexeno poden reaccionar entre eles para formar dous compostos distintos Se collemos 100 gramos de cada un veremos que

- composto 1 conteacuten 777 gramos de ferro e 223 gramos de osiacutexeno - composto 2 conteacuten 699 gramos de ferro e 301 gramos de osiacutexeno

Se collemos unha mesma cantidade de ferro por exemplo 10 gramos e miramos a cantidade de osiacutexeno que con el se combina para formar cada un dos dous compostos anteriores veriamos que

- composto 1 872777

322

10 x

xg de osiacutexeno

- composto 2 314969

130

10 x

xg de osiacutexeno

Asiacute atendendo aacute lei das proporcioacutens muacuteltiples sucede que 2

3501

872

314

5

4 TEORIacuteA ATOacuteMICA DE DALTON As leis anteriores non se puideron xustificar ata que Dalton formulou en 1803 a suacutea teoriacutea atoacutemica cos seguintes postulados 1 Os elementos quiacutemicos estaacuten constituiacutedos por partiacuteculas moi pequenas e indestrutibles chamadas aacutetomos 2 Todos os aacutetomos dun mesmo elemento quiacutemico son iguais en masa e demais propiedades 3 Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen diferente masa e propiedades 4 Os compostos foacutermanse pola unioacuten de aacutetomos de diferentes elementos nunha relacioacuten numeacuterica sinxela Dalton utilizou siacutembolos para representar os aacutetomos alguacutens deles son

Figura 2 Alguacutens siacutembolos atoacutemicos de Dalton Os postulados da teoriacutea de Dalton permiten explicar doadamente por exemplo a lei de conservacioacuten da masa Ao ser os aacutetomos indivisibles unha reaccioacuten quiacutemica non cambia nin a cantidade nin o tipo de aacutetomos simplemente estes agruacutepanse de forma diferente Polo tanto ao non desaparecer aacutetomos non cambia a masa Esta teoriacutea supuxo un grande avance ao permitir xustificar o que aconteciacutea nas reaccioacutens quiacutemicas pero aiacutenda asiacute non explicaba ben o que sucediacutea co volume dos gases durante as reaccioacutens quiacutemicas Veremos isto no seguinte apartado

5 LEIS VOLUMEacuteTRICAS Moitos elementos e compostos son gases e resulta maacuteis doado medir o volume que a masa polo que se realizaron multitude de experiencias medindo volumes e non masas Tales experimentos deron como conclusioacuten as seguintes leis 51 Lei dos volumes de combinacioacuten Gay Lussac estudou as relacioacutens entre os volumes dos gases iniciais e finais dun cambio quiacutemico e en 1808 formulou a lei dos volumes de combinacioacuten

Osiacutexeno Hidroacutexeno Carbono Ferro

6

En calquera reaccioacuten quiacutemica os volumes de todas as substancias gasosas que interventildeen na reaccioacuten gardan unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Exemplos

1 litro de osiacutexeno e 2 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de auga (122) 1 litro de nitroacutexeno e 3 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de amoniacuteaco (132)

Isto non se podiacutea xustificar a partir da teoriacutea de Dalton Asiacute por exemplo para o caso da auga deberiamos agardar que se obtivera 1 litro e auga partindo de dous litros de hidroacutexeno e un litro de osiacutexeno segundo o esquema seguinte

Figura 3 Predicioacuten da teoriacutea de Dalton para a formacioacuten da auga

Como vemos de ninguacuten xeito a teoriacutea de Dalton pode explicar a relacioacuten 122 52 Hipoacutetese de Avogadro Avogadro en 1811 suxire que as partiacuteculas de gases elementais (hidroacutexeno osiacutexeno nitroacutexeno fluacuteor cloro) non son aacutetomos senoacuten agrupacioacutens de aacutetomos aacutes que chamou moleacuteculas Ademais para xustificar o comportamento dos volumes dos gases nas reaccioacutens quiacutemicas introduce a suacutea hipoacutetese que di asiacute En volumes iguais de gases diferentes medidos coas mesmas condicioacutens de presioacuten e de temperatura existe o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Asiacute en un litro de calquera gas sempre que midamos nas mesmas condicioacutens de presioacuten e temperatura haberaacute o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Se aplicamos a hipoacutetese de Avogadro a unha reaccioacuten entre gases podemos xustificar a Lei dos volumes de combinacioacuten para a auga Segundo Avogadro ambos gases estaacuten formados por moleacuteculas diatoacutemicas que ao reaccionar se combinan formando duacuteas moleacuteculas de auga (cada unha delas formada por dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno)

Figura 4 Comprobacioacuten da Lei dos volumes de combinacioacuten

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

4

Durante un cambio quiacutemico a masa do sistema permanece invariable ou dito doutra forma a masa dos corpos reaccionantes (substancias iniciais) eacute igual aacute masa dos produtos da reaccioacuten (substancias finais) Ao reaccionar 2 g de hidroacutexeno con 16 g de osiacutexeno dan 18 g de auga (2 + 16 = 18) 32 Lei das proporcioacutens definidas Proust ao igual que Lavoisier utilizando sistematicamente a balanza e o meacutetodo cientiacutefico chegou aacute conclusioacuten de que todo composto conteacuten sempre os mesmos elementos nas mesmas proporcioacutens En 1801 deu a contildeecer a lei das proporcioacutens definidas Cando dous ou maacuteis elementos se combinan para formar un determinado composto fano nunha relacioacuten de peso constante Asiacute sempre que o hidroacutexeno e o osiacutexeno se combinan para formar auga fano nunha relacioacuten masa de osiacutexeno por masa de hidroacutexeno (mosiacutexeno mhidroacutexeno) igual a 8 Isto permiacutetenos saber p ex que cantidade de osiacutexeno se combinaraacute con 50 g de hidroacutexeno para formar auga pois mosiacutexeno 50 = 8 logo a masa de osiacutexeno seraacute 400 g 33 Lei das proporcioacutens muacuteltiples Eacute posible que a combinacioacuten de dous ou maacuteis elementos orixine maacuteis de un uacutenico composto O quiacutemico ingleacutes John Dalton atopou unha relacioacuten entre as cantidades dun mesmo elemento que interveacuten na formacioacuten de compostos distintos Cando unha mesma cantidade dun elemento reacciona con cantidades distintas doutro elemento para formar compostos diferentes entoacuten as masas do outro elemento mantentildeen entre si unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Por exemplo o ferro e o osiacutexeno poden reaccionar entre eles para formar dous compostos distintos Se collemos 100 gramos de cada un veremos que

- composto 1 conteacuten 777 gramos de ferro e 223 gramos de osiacutexeno - composto 2 conteacuten 699 gramos de ferro e 301 gramos de osiacutexeno

Se collemos unha mesma cantidade de ferro por exemplo 10 gramos e miramos a cantidade de osiacutexeno que con el se combina para formar cada un dos dous compostos anteriores veriamos que

- composto 1 872777

322

10 x

xg de osiacutexeno

- composto 2 314969

130

10 x

xg de osiacutexeno

Asiacute atendendo aacute lei das proporcioacutens muacuteltiples sucede que 2

3501

872

314

5

4 TEORIacuteA ATOacuteMICA DE DALTON As leis anteriores non se puideron xustificar ata que Dalton formulou en 1803 a suacutea teoriacutea atoacutemica cos seguintes postulados 1 Os elementos quiacutemicos estaacuten constituiacutedos por partiacuteculas moi pequenas e indestrutibles chamadas aacutetomos 2 Todos os aacutetomos dun mesmo elemento quiacutemico son iguais en masa e demais propiedades 3 Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen diferente masa e propiedades 4 Os compostos foacutermanse pola unioacuten de aacutetomos de diferentes elementos nunha relacioacuten numeacuterica sinxela Dalton utilizou siacutembolos para representar os aacutetomos alguacutens deles son

Figura 2 Alguacutens siacutembolos atoacutemicos de Dalton Os postulados da teoriacutea de Dalton permiten explicar doadamente por exemplo a lei de conservacioacuten da masa Ao ser os aacutetomos indivisibles unha reaccioacuten quiacutemica non cambia nin a cantidade nin o tipo de aacutetomos simplemente estes agruacutepanse de forma diferente Polo tanto ao non desaparecer aacutetomos non cambia a masa Esta teoriacutea supuxo un grande avance ao permitir xustificar o que aconteciacutea nas reaccioacutens quiacutemicas pero aiacutenda asiacute non explicaba ben o que sucediacutea co volume dos gases durante as reaccioacutens quiacutemicas Veremos isto no seguinte apartado

5 LEIS VOLUMEacuteTRICAS Moitos elementos e compostos son gases e resulta maacuteis doado medir o volume que a masa polo que se realizaron multitude de experiencias medindo volumes e non masas Tales experimentos deron como conclusioacuten as seguintes leis 51 Lei dos volumes de combinacioacuten Gay Lussac estudou as relacioacutens entre os volumes dos gases iniciais e finais dun cambio quiacutemico e en 1808 formulou a lei dos volumes de combinacioacuten

Osiacutexeno Hidroacutexeno Carbono Ferro

6

En calquera reaccioacuten quiacutemica os volumes de todas as substancias gasosas que interventildeen na reaccioacuten gardan unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Exemplos

1 litro de osiacutexeno e 2 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de auga (122) 1 litro de nitroacutexeno e 3 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de amoniacuteaco (132)

Isto non se podiacutea xustificar a partir da teoriacutea de Dalton Asiacute por exemplo para o caso da auga deberiamos agardar que se obtivera 1 litro e auga partindo de dous litros de hidroacutexeno e un litro de osiacutexeno segundo o esquema seguinte

Figura 3 Predicioacuten da teoriacutea de Dalton para a formacioacuten da auga

Como vemos de ninguacuten xeito a teoriacutea de Dalton pode explicar a relacioacuten 122 52 Hipoacutetese de Avogadro Avogadro en 1811 suxire que as partiacuteculas de gases elementais (hidroacutexeno osiacutexeno nitroacutexeno fluacuteor cloro) non son aacutetomos senoacuten agrupacioacutens de aacutetomos aacutes que chamou moleacuteculas Ademais para xustificar o comportamento dos volumes dos gases nas reaccioacutens quiacutemicas introduce a suacutea hipoacutetese que di asiacute En volumes iguais de gases diferentes medidos coas mesmas condicioacutens de presioacuten e de temperatura existe o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Asiacute en un litro de calquera gas sempre que midamos nas mesmas condicioacutens de presioacuten e temperatura haberaacute o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Se aplicamos a hipoacutetese de Avogadro a unha reaccioacuten entre gases podemos xustificar a Lei dos volumes de combinacioacuten para a auga Segundo Avogadro ambos gases estaacuten formados por moleacuteculas diatoacutemicas que ao reaccionar se combinan formando duacuteas moleacuteculas de auga (cada unha delas formada por dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno)

Figura 4 Comprobacioacuten da Lei dos volumes de combinacioacuten

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

5

4 TEORIacuteA ATOacuteMICA DE DALTON As leis anteriores non se puideron xustificar ata que Dalton formulou en 1803 a suacutea teoriacutea atoacutemica cos seguintes postulados 1 Os elementos quiacutemicos estaacuten constituiacutedos por partiacuteculas moi pequenas e indestrutibles chamadas aacutetomos 2 Todos os aacutetomos dun mesmo elemento quiacutemico son iguais en masa e demais propiedades 3 Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen diferente masa e propiedades 4 Os compostos foacutermanse pola unioacuten de aacutetomos de diferentes elementos nunha relacioacuten numeacuterica sinxela Dalton utilizou siacutembolos para representar os aacutetomos alguacutens deles son

Figura 2 Alguacutens siacutembolos atoacutemicos de Dalton Os postulados da teoriacutea de Dalton permiten explicar doadamente por exemplo a lei de conservacioacuten da masa Ao ser os aacutetomos indivisibles unha reaccioacuten quiacutemica non cambia nin a cantidade nin o tipo de aacutetomos simplemente estes agruacutepanse de forma diferente Polo tanto ao non desaparecer aacutetomos non cambia a masa Esta teoriacutea supuxo un grande avance ao permitir xustificar o que aconteciacutea nas reaccioacutens quiacutemicas pero aiacutenda asiacute non explicaba ben o que sucediacutea co volume dos gases durante as reaccioacutens quiacutemicas Veremos isto no seguinte apartado

5 LEIS VOLUMEacuteTRICAS Moitos elementos e compostos son gases e resulta maacuteis doado medir o volume que a masa polo que se realizaron multitude de experiencias medindo volumes e non masas Tales experimentos deron como conclusioacuten as seguintes leis 51 Lei dos volumes de combinacioacuten Gay Lussac estudou as relacioacutens entre os volumes dos gases iniciais e finais dun cambio quiacutemico e en 1808 formulou a lei dos volumes de combinacioacuten

Osiacutexeno Hidroacutexeno Carbono Ferro

6

En calquera reaccioacuten quiacutemica os volumes de todas as substancias gasosas que interventildeen na reaccioacuten gardan unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Exemplos

1 litro de osiacutexeno e 2 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de auga (122) 1 litro de nitroacutexeno e 3 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de amoniacuteaco (132)

Isto non se podiacutea xustificar a partir da teoriacutea de Dalton Asiacute por exemplo para o caso da auga deberiamos agardar que se obtivera 1 litro e auga partindo de dous litros de hidroacutexeno e un litro de osiacutexeno segundo o esquema seguinte

Figura 3 Predicioacuten da teoriacutea de Dalton para a formacioacuten da auga

Como vemos de ninguacuten xeito a teoriacutea de Dalton pode explicar a relacioacuten 122 52 Hipoacutetese de Avogadro Avogadro en 1811 suxire que as partiacuteculas de gases elementais (hidroacutexeno osiacutexeno nitroacutexeno fluacuteor cloro) non son aacutetomos senoacuten agrupacioacutens de aacutetomos aacutes que chamou moleacuteculas Ademais para xustificar o comportamento dos volumes dos gases nas reaccioacutens quiacutemicas introduce a suacutea hipoacutetese que di asiacute En volumes iguais de gases diferentes medidos coas mesmas condicioacutens de presioacuten e de temperatura existe o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Asiacute en un litro de calquera gas sempre que midamos nas mesmas condicioacutens de presioacuten e temperatura haberaacute o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Se aplicamos a hipoacutetese de Avogadro a unha reaccioacuten entre gases podemos xustificar a Lei dos volumes de combinacioacuten para a auga Segundo Avogadro ambos gases estaacuten formados por moleacuteculas diatoacutemicas que ao reaccionar se combinan formando duacuteas moleacuteculas de auga (cada unha delas formada por dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno)

Figura 4 Comprobacioacuten da Lei dos volumes de combinacioacuten

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

6

En calquera reaccioacuten quiacutemica os volumes de todas as substancias gasosas que interventildeen na reaccioacuten gardan unha relacioacuten de nuacutemeros sinxelos Exemplos

1 litro de osiacutexeno e 2 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de auga (122) 1 litro de nitroacutexeno e 3 litros de hidroacutexeno dan 2 litros de amoniacuteaco (132)

Isto non se podiacutea xustificar a partir da teoriacutea de Dalton Asiacute por exemplo para o caso da auga deberiamos agardar que se obtivera 1 litro e auga partindo de dous litros de hidroacutexeno e un litro de osiacutexeno segundo o esquema seguinte

Figura 3 Predicioacuten da teoriacutea de Dalton para a formacioacuten da auga

Como vemos de ninguacuten xeito a teoriacutea de Dalton pode explicar a relacioacuten 122 52 Hipoacutetese de Avogadro Avogadro en 1811 suxire que as partiacuteculas de gases elementais (hidroacutexeno osiacutexeno nitroacutexeno fluacuteor cloro) non son aacutetomos senoacuten agrupacioacutens de aacutetomos aacutes que chamou moleacuteculas Ademais para xustificar o comportamento dos volumes dos gases nas reaccioacutens quiacutemicas introduce a suacutea hipoacutetese que di asiacute En volumes iguais de gases diferentes medidos coas mesmas condicioacutens de presioacuten e de temperatura existe o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Asiacute en un litro de calquera gas sempre que midamos nas mesmas condicioacutens de presioacuten e temperatura haberaacute o mesmo nuacutemero de moleacuteculas Se aplicamos a hipoacutetese de Avogadro a unha reaccioacuten entre gases podemos xustificar a Lei dos volumes de combinacioacuten para a auga Segundo Avogadro ambos gases estaacuten formados por moleacuteculas diatoacutemicas que ao reaccionar se combinan formando duacuteas moleacuteculas de auga (cada unha delas formada por dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno)

Figura 4 Comprobacioacuten da Lei dos volumes de combinacioacuten

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

7

Maacuteis adiante ao estudar o concepto de mol veremos maacuteis consecuencias da hipoacutetese de Avogadro

6 MASAS ATOacuteMICAS E MOLECULARES O MOL Como os aacutetomos son extremadamente pequenos (unha mouta de po pode conter 1018 aacutetomos) non se dispoacuten de balanzas que midan a masa dun aacutetomo e non son apropiadas as unidades de masa habituais (g Kg) O que se fai eacute comparar a masa dun aacutetomo coa masa doutro aacutetomo (medir eacute comparar) Estableacutecese como unidade de medida das masas dos aacutetomos a unidade de masa atoacutemica (uma) que eacute a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12 Evidentemente un aacutetomo de C-12 teraacute unha masa de 12 uma (se collemos doce 112 estamos a coller o aacutetomo enteiro)

Figura 5 Definicioacuten de unidade de masa atoacutemica

Se dicimos que a masa atoacutemica do sodio Na eacute 23 uma isto quere dicir que a masa dun aacutetomo de sodio eacute 23 veces a de unha uma ( 23 veces a doceava parte da masa dun aacutetomo de carbono12) Na Taacuteboa Perioacutedica entregada no APEacuteNDICE teacutes as masas atoacutemicas de todos os elementos No caso dos compostos deberemos calcular a suacutea masa molecular sumando as masas atoacutemicas dos elementos que os forman e tendo en conta cantos aacutetomos de cada elemento forman unha moleacutecula Por exemplo a masa molecular dioacutexido de carbono (CO2) seraacute

Dado que cada moleacutecula estaacute formada por 2 aacutetomos de osiacutexeno e 1 aacutetomo de carbono masas atoacutemicas do C = 12 e do O = 16 C 12x1 = 12 O 16x2 = 32 44 uma

61 O Mol Como os aacutetomos e as moleacuteculas son pequenos no laboratorio nunca imos traballar cun aacutetomo ou unha moleacutecula ou uns poucos aacutetomos ou moleacuteculas senoacuten que

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

8

traballaremos sempre con milloacutens destas partiacuteculas polo tanto teremos que contar cunha unidade especial para describir unha cantidade tan grande de partiacuteculas Igual que para contar cantidades de cousas pequenas manexamos conceptos como ducia (unha ducia de ovos) cento (un cento de pementos) en quiacutemica utilizaremos o mol Un mol eacute a cantidade de materia (de calquera substancia) que conteacuten 60221023 partiacuteculas Asiacute un mol de electroacutens representa a 60221023 electroacutens 1 mol de ferro a 60221023 aacutetomos de Fe (porque os aacutetomos son as partiacuteculas dun elemento como o ferro) 1 mol de auga a 60221023 moleacuteculas de H2O (porque as moleacuteculas son as partiacuteculas dun composto como a auga) O mol como iraacutes vendo eacute unha unidade baacutesica para realizar caacutelculos en quiacutemica aiacutenda que serviriacutea para medir calquera tipo de materia e asiacute 1 mol de persoas seriacutean 60221023 persoas ou 1 mol de euros seriacutean 60221023 euros Este nuacutemero eacute tan grande (602 200 000 000 000 000 000 000) que aiacutenda non foi emitida esa cantidade de euros (seriacutean 602 200 milloacutens de euros un billoacuten de veces) O nuacutemero 60221023 que indica as unidades que conteacuten un mol chaacutemase Nuacutemero de Avogadro e adoacuteitase representar por NA 611 Mol e masa NA non eacute un nuacutemero arbitrario posto que nos vai facilitar o noso traballo con masas no laboratorio xa que o nuacutemero que nos indica a masa dun aacutetomo en uma vai coincidir co nuacutemero que nos indica a masa dun mol en gramos Polo tanto se a masa dun aacutetomo de calcio eacute 40 uma a masa de un mol de aacutetomos de calcio eacute 40 gramos

Un mol de calquera substancia pura ten unha masa en gramos igual aacute suacutea masa atoacutemica ou molecular en uma

Asiacute sabemos que 60221023 aacutetomos de Ca = 1 mol de Ca = 40 g de Ca de xeito similar temos que 60221023 moleacuteculas de CO2 = 1 mol de CO2 = 44 g de CO2 Agora poderemos relacionar a masa dunha substancia pura co nuacutemero de moles da mesma Por exemplo se nos preguntan cantos moles son 200 g de auga procederemos asiacute

- Cos datos de masas atoacutemicas calculamos a masa de un mol de auga H2O 1x2 + 16x1 = 18 g (masa molecular Mm)

- Escribimos unha proporcioacuten ou regra de tres

1 mol de auga ten unha masa de 18 g

X mol de auga teraacuten unha masa de 200 g

X = 1x20018 = 111 mol de auga

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

9

Fiacutexate no caacutelculo final obtivemos o nuacutemero de moles dividindo a masa da auga (200 g) entre a suacutea masa molecular (18 gmol ndash significa que son 18 g por cada mol que collamos) Entoacuten podemos establecer como norma que para calcular o nuacutemero de moles dunha substancia pura basta dividir a suacutea masa en gramos pola masa molecular

n = mMm onde n = nordm de moles m = masa de substancia Asiacute se queremos saber cantos moles son 500 g de dioacutexido de carbono (CO2)

m = 440 g Mm = 44 gmol (xa a temos calculada con anterioridade) n= mMm n= 44044 = 10 mol de dioacutexido de carbono

No caso de que nos pediran os gramos de CO2 que hai en 0025 mol de CO2

n = 0025 mol Mm = 44 gmol n= mMm m = nmiddotMm m = 0025x44 = 11 g de dioacutexido de carbono

612 Mol e volume de gases Ecuacioacuten de estado dos gases ideais No caso dos gases como consecuencia da Hipoacutetese de Avogadro (volumes iguais de gases - en ideacutenticas condicioacutens de presioacuten e temperatura - tentildeen o mesmo nuacutemero de moleacuteculas) un mol de calquera gas ten que ocupar sempre o mesmo volume pois un mol sempre ten o mesmo nuacutemero de moleacuteculas En particular cando a temperatura eacute de 0 ordmC e a presioacuten de 1 atmosfera (son as chamadas ldquocondicioacutens normaisrdquo) resulta que

Un mol de calquera gas en condicioacutens normais ocupa 224 litros Entoacuten 1 mol de hidroacutexeno en condicioacutens normais ocupa 224 L un mol de helio ou de butano nas mesmas condicioacutens tameacuten ocupan 224 L Sen embargo 1 mol de ouro ou de alcohol etiacutelico en condicioacutens normais non ocupan 224 L simplemente porque non son gases a esa presioacuten e temperatura (o alcohol eacute liacutequido e o ouro eacute soacutelido) Se o gas non estaacute en condicioacutens normais poderemos medir o volume que ocupan ldquonrdquo moles de gas mediante a ecuacioacuten de estado dos gases ideais

PmiddotV = nmiddotRmiddotT

onde ldquoPrdquo eacute a presioacuten medida en atmosferas ldquoVrdquo o volume medido en litros ldquoTrdquo a temperatura medida en Kelvins e R =0082 atmmiddotL Kmiddotmol eacute unha constante que se contildeece como constante dos gases Un gas ideal eacute un gas hipoteacutetico no que as moleacuteculas non exercen entre si ningunha interaccioacuten e o volume destas moleacuteculas eacute desprezable fronte ao volume do recipiente Aiacutenda que na natureza non existen gases ideais o comportamento dos gases reais descriacutebese ben con esta ecuacioacuten sen apenas erro para unhas marxes amplas de temperatura e presioacuten

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

10

Exemplo de aplicacioacuten Que volume ocupan 25 moles de monoacutexido de carbono a 27ordm C e 950 mm de Hg

En primeiro lugar debemos dispor dos datos necesarios e coas unidades debidas n= 25 mol T= 27ordm C que debemos pasar a K T= 27+273 K= 300 K P=950 mmHg que debemos pasar a atm P=950760 atm = 125 atm Agora xa podemos utilizar a ecuacioacuten de estado dos gases ideais PV = nmiddotRmiddotT V = nmiddotRmiddotTP V = 25middot0082middot300125 V = 492 L

8 CAacuteLCULOS CON FOacuteRMULAS FOacuteRMULAS EMPIacuteRICAS E MOLECULARES Para expresar a composicioacuten da materia os quiacutemicos utilizan foacutermulas quiacutemicas Uacutesanse siacutembolos quiacutemicos para indicar que tipo de aacutetomos forman unha os substancia e subiacutendices numeacutericos para indicar a cantidade ou proporcioacuten en que se atopan os diferentes aacutetomos Empreacuteganse fundamentalmente dous tipos de foacutermulas foacutermulas moleculares e foacutermulas empiacutericas 81 Foacutermulas moleculares

Tan soacute no caso das substancias que presentan enlace covalente se poden formar moleacuteculas Para expresar a composicioacuten destas moleacuteculas utiliacutezanse as foacutermulas moleculares Unha foacutermula molecular indica a cantidade exacta de cada tipo de aacutetomos que forman unha moleacutecula Vexamos uns exemplos a foacutermula NH3 indica que nunha moleacutecula de amoniacuteaco hai unicamente un aacutetomo de nitroacutexeno e tres aacutetomos de hidroacutexeno H2 indiacutecanos que a moleacutecula de hidroacutexeno conteacuten unicamente dous aacutetomos do devandito elemento O3 indiacutecanos que a moleacutecula de ozono conteacuten unicamente tres aacutetomos de osiacutexeno 82 Foacutermulas empiacutericas

Unha foacutermula empiacuterica indica que elementos estaacuten presentes nunha substancia e a menor proporcioacuten que hai entre eles Por exemplo NaCl indica que o cloruro soacutedico conteacuten cloro e sodio e que hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de cloro que de sodio No caso do cuarzo SiO2 indiacutecanos que o cuarzo estaacute formado por silicio e por osiacutexeno e que conteacuten o dobre de aacutetomos de osiacutexeno que de silicio

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

11

83 Relacioacuten entre foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica Hai moitas substancias que nunca forman moleacuteculas e sempre se representan por foacutermulas empiacutericas por exemplo calquera substancia ioacutenica (como eacute o caso dos sales) No caso das substancias que forman moleacuteculas aacutes veces poacutedese diferenciar entre foacutermula empiacuterica e foacutermula molecular H2O2 eacute a foacutermula molecular da auga osixenada Cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e dous aacutetomos de osiacutexeno HO eacute a foacutermula empiacuterica da auga osixenada indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de osiacutexeno C6H6 eacute a foacutermula molecular do benceno cada moleacutecula conteacuten seis aacutetomos de hidroacutexeno e seis aacutetomos de carbono CH eacute a foacutermula empiacuterica do benceno indiacutecanos que nesta substancia hai o mesmo nuacutemero de aacutetomos de hidroacutexeno que de carbono O3 eacute a foacutermula molecular do ozono cada moleacutecula conteacuten tres aacutetomos de osiacutexeno O eacute a foacutermula empiacuterica do ozono indiacutecanos que soacute conteacuten aacutetomos de osiacutexeno Noutros casos foacutermula molecular e foacutermula empiacuterica coinciden H2O eacute a foacutermula molecular e tameacuten a foacutermula empiacuterica da auga cada moleacutecula conteacuten dous aacutetomos de hidroacutexeno e un de osiacutexeno Nesta substancia por cada aacutetomo de osiacutexeno hai dous de hidroacutexeno O mesmo acontece con CO2 SO3 HNO3 HCl Se observas todos os casos anteriores e outros que se che ocorran poacutedese dicir que a foacutermula molecular eacute sempre un nuacutemero enteiro de veces a foacutermula empiacuterica a foacutermula molecular do benceno C6H6 eacute 6 veces a suacutea foacutermula empiacuterica CH

C6H6 6(CH) (CH)6 a foacutermula molecular do ozono O3 eacute 3 veces a suacutea foacutermula empiacuterica O a foacutermula molecular do CO2 eacute unha vez a suacutea foacutermula empiacuterica CO2 Por todo iso podemos xeneralizar e escribir

Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica)

onde n eacute un nuacutemero enteiro

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

12

84 Composicioacuten centesimal dunha substancia Do mesmo xeito que unha foacutermula nos indica a proporcioacuten existente entre os aacutetomos que forman unha substancia a composicioacuten centesimal dunha substancia nos indica a proporcioacuten entre as masas dos elementos que forman a unha substancia (expresada en forma de porcentaxe) Dito doutra forma se tomamos 100 g dun composto a composicioacuten centesimal viraacute dada pola masa de cada elemento que hai neses 100 g de composto Imaxinemos que nos piden a composicioacuten centesimal da auga (H2O) Na taacuteboa perioacutedica buscamos as masas atoacutemicas H=1 gmol O=16 gmol a masa molecular da auga (H2O) seraacute 1middot2 + 16middot1 = 18 gmol Polo tanto

18 g de H2O ----gt 2 g H2 x =100middot218 = 111 de H2

100 g de H2O ----gt x g de H2

18 g de H2O ----gt 16 g O2 x =100middot1618 = 889 de O2

100 g de H2O ----gt x g de O2 O mesmo resultado se obteriacutea para o osixeno se lle restamos ao 100 os 111 de hidroacutexeno Isto eacute debido a que neste caso a moleacutecula soacute estaacute formada por dous elementos 85 Determinacioacuten de foacutermulas empiacutericas e moleculares A anaacutelise quiacutemica dunha substancia no laboratorio permiacutetenos contildeecer a cantidade de gramos de cada elemento presente nunha determinada cantidade dun composto A partir destas cantidades en masa poacutedese calcular a suacutea foacutermula empiacuterica o que axuda a identificar a substancia Contildeecendo a foacutermula empiacuterica eacute sinxelo contildeecer a foacutermula molecular pois xa vimos que Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) Sabida a foacutermula molecular podemos cos datos da taacuteboa perioacutedica contildeecer masa molar Mm Se contildeecemos esta relacioacuten entre as masas molares contildeecemos a relacioacuten entre as foacutermulas empiacuterica e molecular Exemplo Determina a foacutermula molecular dun composto orgaacutenico de composicioacuten centesimal 5217 de C 3478 de O e 13 de H e con masa molecular 46 gmol Datos H= 1 gmol C= 12 gmol O= 16 gmol

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

13

Pasos a seguir

1 Dividimos a porcentaxe de cada elemento pola masa atoacutemica (o facemos para obter o nuacutemero de moles de cada elemento) C = 5217 12 = 435 O = 3478 16 = 2 H = 3 1 = 13

2 Dividimos cada nuacutemero obtido polo maacuteis pequeno para determinar o nuacutemero de aacutetomos de cada elemento na foacutermula empiacuterica (asiacute vemos cantos moles hai de cada elemento por cada mol do elemento menos abundante) C 435 217 = 2 H 13 217 = 6 O 217 217 = 1 polo tanto a foacutermula empiacuterica seriacutea C2OH6

3 No caso de que algunha relacioacuten nos dera decimal como non podemos ter aacutetomos partidos eacute evidente que debemos multiplicar por un nuacutemero enteiro (2 3 4 5 hellip) de tal xeito que nos desaparezan os decimais e queden todos os nuacutemeros enteiros Neste exemplo non se daacute tal circunstancia

4 Calculamos a masa molar da foacutermula empiacuterica cos datos das masas atoacutemicas C2OH6 = 12middot2 + 16middot1 + 1middot6 = 46 gmol

5 Aplicamos a ecuacioacuten Mm = nmiddotMm(foacutermula empiacuterica) de xeito que quedariacutea 46 = nmiddot46 n=1

6 Aplicamos agora Foacutermula molecular = nmiddot(Foacutermula empiacuterica) co que Foacutermula molecular = 1middot(C2OH6) = C2OH6 asiacute pois neste caso en particular coincide a foacutermula molecular coa empiacuterica

9 NUacuteMERO ATOacuteMICO NUacuteMERO MAacuteSICO E ISOacuteTOPOS

Na actualidade contildeeacutecense os diferentes aacutetomos que constituacuteen a materia mesmo se chegaron a crear artificialmente mediante procesos nucleares alguacutens novos que non atopamos na Natureza Todos estaacuten formados por tres partiacuteculas electroacutens (carga negativa) protoacutens (carga positiva) e neutroacutens (sen carga) en distintas cantidades

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

14

Os protoacutens e os neutroacutens atoacutepanse no centro do aacutetomo (nuacutecleo) e os electroacutens na zona externa (codia) Asiacute o Hidroacutexeno ten un protoacuten no nuacutecleo e un electroacuten na codia 0 Helio ten dous protoacutens e dous neutroacutens no nuacutecleo e dous electroacutens na codia Os aacutetomos de diferentes elementos tentildeen distinto nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo e este nuacutemero define cada elemento quiacutemico Chaacutemase nuacutemero atoacutemico dun elemento quiacutemico ao nuacutemero de protoacutens do seu nuacutecleo e represeacutentase pola letra Z Este nuacutemero atoacutemico coincide co nuacutemero de electroacutens da suacutea codia no caso habitual de que os aacutetomos sexan electricamente neutros A masa do aacutetomo conceacutentrase no nuacutecleo e deacutebese aos protoacutens e aos neutroacutens A masa dos electroacutens eacute desprezable fronte aacute deles A masa dos protoacutens e dos neutroacutens eacute practicamente igual e coincide coa unidade de masa atoacutemica Chaacutemase nuacutemero maacutesico aacute suma do nuacutemero de protoacutens e do nuacutemero de neutroacutens eacute dicir ao nuacutemero de partiacuteculas que hai no nuacutecleo (nucleoacutens) e represeacutentase coa letra A Cada elemento quiacutemico desiacutegnase por un siacutembolo formado por unha ou duacuteas letras que tentildeen relacioacuten co seu nome Aacutes veces estes siacutembolos acompaacutentildeanse dos nuacutemeros

atoacutemicos e maacutesicos escritos como subiacutendice e superiacutendice respectivamente ( XAZ

onde X eacute o siacutembolo do elemento) ou co siacutembolo seguido dun guioacuten e o nuacutemero

maacutesico A ( Exemplo He42 Cl-35)

Contildeecendo estes dous nuacutemeros Z e A temos a informacioacuten necesaria para contildeecer o nuacutemero e clase de partiacuteculas que forman os aacutetomos neutros dun elemento Todos os aacutetomos dun elemento quiacutemico tentildeen igual nuacutemero atoacutemico (Z) e igual nuacutemero de protoacutens no nuacutecleo pero o nuacutemero de neutroacutens pode variar Na natureza existen aacutetomos do mesmo elemento que tentildeen diferente masa eacute dicir diferente nuacutemero de neutroacutens estes aacutetomos de igual nuacutemero atoacutemico (Z) e diferente nuacutemero maacutesico (A) chaacutemanse isoacutetopos ou o que eacute o mesmo aacutetomos co mesmo nuacutemero de protoacutens e diferente nuacutemero de neutroacutens

Figura 6 Representacioacuten graacutefica e simboacutelica dos tres isoacutetopos do hidroacutexeno

Calquera elemento quiacutemico pode ter diferentes isoacutetopos que se atopan na natureza nunha proporcioacuten determinada De feito o nuacutemero que aparece nas taacuteboas como masa atoacutemica dun elemento eacute unha media ponderada da masa dos seus isoacutetopos Por exemplo o Boro estaacute formado por dous isoacutetopos B-10 e B-11 que se atopan nunha proporcioacuten do 20 e 80 respectivamente (abundancia isotoacutepica) A suacutea masa media eacute

8010100

80middot11

100

20middot10 uma

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

15

10 ESPECTROMETRIacuteA DE MASAS

A espectrometriacutea pode definirse como un conxunto de teacutecnicas que permiten a separacioacuten de partiacuteculas ou radiacioacutens asiacute como a medida da proporcioacuten na que existen ou se producen Neste apartado centrareacutemonos nos fundamentos da espectrometriacutea de masas que permite

- Medir masas atoacutemicas - Medir masas moleculares - Separar e identificar aacutetomos (sexan isoacutetopos ou non) - Medir a abundancia dun isoacutetopo nunha mostra

Vexamos como funciona para o caso dun elemento primeiro se introduce o elemento vaporizado na caacutemara de ionizacioacuten onde os aacutetomos neutros se transforman en ioacutens positivos Logo son sometidos simultaneamente a un campo eleacutectrico E e a un magneacutetico B1 dispostos de tal xeito que soacute pasan aqueles ioacutens que tentildeen a mesma velocidade para despois entrar nunha zona onde se lles aplica un campo magneacutetico B2 perpendicular a ela A forza magneacutetica fai que os ioacutens describan unha traxectoria curva cun raio que depende da relacioacuten entre a masa e a carga de cada ioacuten

Figura 7 Fundamento dun espectroacutemetro de masas

Supontildeamos que estamos a introducir hidroacutexeno no espectroacutemetro (recordemos os seus isoacutetopos) segundo o que acabamos de ver o ioacuten de cada un dos isoacutetopos (todos con carga +1 pero con masa diferente) se detectaraacute nun lugar diferente da placa tal como se representa no debuxo de arriba Resulta que para unha mesma carga describiraacuten curvas de maior raio aqueles ioacutens de maior masa polo que ldquocaeraacutenrdquo antes os maacuteis lixeiros (1H) logo os intermedios (2H) e finalmente os maacuteis pesados (3H) Isto eacute asiacute porque as forzas eleacutectricas e magneacuteticas dependen soacute da carga o que significa que todos os ioacutens H+ estaacuten sometidos aacute mesma forza Tameacuten sabemos que todos van aacute mesma velocidade asiacute que se recordamos que F = Fc = mv2r eacute inmediato ver que r = mmiddotv2F onde v2F eacute constante Entoacuten a maior masa maior raio

Placa detectora

Caacutemara de ionizacioacuten

Introducioacuten da mostra

Campos E B1

Campo B2

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

16

11 ESPECTROSCOPIacuteA

A espectroscopiacutea eacute unha teacutecnica utilizada para a identificacioacuten de substancias quiacutemicas que se basea na interaccioacuten entre a radiacioacuten electromagneacutetica (luz) e a materia 111 Espectroscopiacutea de absorcioacuten atoacutemica Susteacutentase no feito de que os aacutetomos dun mesmo elemento absorben radiacioacuten en determinadas frecuencias caracteriacutesticas ofrecendo unha especie de impresioacuten dixital propia para cada elemento Tal circunstancia permite distinguir os distintos elementos que forman parte dunha mostra Tameacuten eacute posible unha anaacutelise cuantitativa (dicir en que cantidade estaacute cada elemento) polo feito de que a cantidade de radiacioacuten absorbida por cada elemento eacute proporcional ao nuacutemero de aacutetomos presentes de cada un O seu funcionamento eacute o seguinte disponse dunha fonte de luz que emite en multitude de frecuencias que logo se iraacuten seleccionando e facendo pasar pola mostra (previamente disolvida e atomizada) A mostra absorberaacute determinadas frecuencias (dependendo da suacutea composicioacuten) en distinto grao propiedades que se recollen con nun detector e que logo se comparan coas procedentes dunha referencia (formada polo disolvente atomizado) e se analizan mediante un procesado de datos Toda esta informacioacuten se sintetiza nun graacutefico que amosa a absorbencia (cantidade de radiacioacuten absorbida) e a frecuencia (ou lonxitude de onda) correspondente

Figura 8 Fundamento dun espectroscopio de absorcioacuten atoacutemica

112 Espectroscopiacutea infravermella (IR) Eacute un tipo de espectroscopiacutea de absorcioacuten que utiliza a zona infravermella do espectro (unha rexioacuten proacutexima aacute luz vermella pero con frecuencias menores) e

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz

17

que estaacute relacionada coa vibracioacuten dos aacutetomos enlazados covalentemente (compartindo electroacutens) Asiacute cada tipo de enlace absorberaacute radiacioacuten infravermella a una frecuencia distinta o que permite recontildeecer os distintos tipos de enlace que estaacuten presentes na mostra

Figura 9 Absorcioacuten da enerxiacutea da luz IR por un enlace covalente

Figura 10 Espectro IR do etanol (alcohol)

l1 l2

Luz