Resumen de Módulo

Historia de la Química

Los orígenes de la Química se remontan a la Edad Prehistórica. El hombre prehistórico buscando el origen y naturaleza de todo su entorno, comenzó a utilizar y trabajar ciertos elementos provenientes de la naturaleza. 

Con el pasar del tiempo los humanos buscaron manipular los materiales para usos prácticos, tales como el trabajo de metales, la fabricación de vidrios y cerámica, el curtido de la piel y el tintado de tejidos.

Poco a poco el hombre se dio cuenta de que muchas sustancias tenían el poder de transformarse,  por lo que dedicaron un gran empeño en buscar una sustancia que transformara el metal en oro, lo que llevó a la creación de la Alquimia.

La Alquimia no era una ciencia. Solamente fue un conjunto de especulaciones y experiencias, generalmente de carácter esotérico, relativas a los cambios de la materia, que aporto gran conocimiento e influyó en el origen de la Química.

Conceptos fundamentales en Química

La Química es la ciencia que estudia la materia, sus propiedades, estructura, las transformaciones que en la misma suceden, las leyes que rigen dichas transformaciones y las variaciones de energía que acompañan a estos cambios.

Para estudiar Química son necesarios algunos conocimientos previos:

Materia: es todo aquello que posee masa, ocupa un lugar en el espacio y es perceptible a través de los sentidos (por el olfato, olores; por el gusto, sabores, por el tacto, texturas y otros). 

Masa: es la cantidad de materia que posee un cuerpo.

Cuerpo: es una porción limitada de materia que se lo separa para su estudio. 

Sustancia: es una clase especial de materia. Una sustancia determinada presenta siempre las mismas propiedades físicas y químicas bajo idénticas condiciones de observación. 

Volumen: es la medida del espacio que ocupa un determinado cuerpo. 

Densidad: es el cociente entre la masa y el volumen que ocupa un cuerpo.

Peso: es una medida de la fuerza gravitatoria que la tierra ejerce sobre cada cuerpo cercano a su superficie. 

Energía

Energía es la capacidad de un cuerpo, para generar trabajo.

La energía puede manifestarse de diferentes formas: energía mecánica, eléctrica, calorífica, nuclear, solar, etc.

El Principio de Conservación de la energía expresa que la energía no se crea ni  se destruye, se transforma.

Leyes de conservación. Materia y energía.

Se pueden diferenciar tres tipos de sistemas:

• un sistema aislado es aquel que no intercambia materia ni energía con el medio que lo rodea,

• un sistema cerrado intercambia solamente energía con el medio que lo rodea,

• un sistema abierto intercambia ambas.

La ley de conservación de la materia establece que "en un sistema cerrado la cantidad total de materia permanece constante". 

Por otro lado, la ley de conservación de la energía establece que "la suma de energía cinética, potencial y térmica en un sistema aislado permanece constante".

Ambas leyes se unifican en la ley de conservación de masa y energía que establece que "la cantidad de materia y energía en el universo no aumenta ni disminuye, pero pueden transformarse entre sí".     

 

Materia: Su composición

Todos los cuerpos están formados por unas pequeñas partículas llamadas átomos.

Los átomos se pueden diferenciar entre sí por su masa (unos pesan más que otros), por su tamaño (unos mayores que otros) y por la forma que tienen de unirse a otros átomos.

Los átomos dependiendo de su naturaleza pueden unirse entre sí formando enlaces. Esto depende del tipo de átomos y de la temperatura.

Propiedades de la materia

Todo lo que podemos ver y tocar es materia. También son materia cosas que no podemos ver, como el aire.

La materia puede poseer:

•              Propiedades físicas (se pueden medir y observar sin que se modifique la composición de la materia) que pueden ser:

• Propiedades intensivas: densidad, punto de fusión, punto de ebullición, dureza, elasticidad.
• Propiedades extensivas: masa, volumen, peso.

•              Propiedades químicas (determinan qué cambios o transformaciones puede experimentar la materia en su composición. Estos cambios ocurren a través de las reacciones químicas).

Organización de la materia

La materia casi siempre está agrupada formando cuerpos, y a eso contribuyen la:

• Fuerza gravitatoria: fuerza de atracción que surge entre masas.
• Fuerza electrostática, que se origina entre las cargas eléctricas que pueden ser de dos tipos: positiva y negativa. Cumpliéndose que:
  • a) Los cuerpos con cargas de distinto signo se atraen.
  • b) Los cuerpos que tienen cargas del mismo signo se repelen.

Estas dos fuerzas regulan la forma de agruparse la materia, aunque la gravitación sólo produce efectos apreciables en los cuerpos de gran masa (planetas, estrellas, etc.).

Estados de la materia

La materia puede aparecer en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

En el estado sólido los cuerpos tienen un volumen y forma casi invariable.

En el estado líquido los cuerpos poseen una forma que es variable, pero su volumen es prácticamente invariable.

En el estado gaseoso los cuerpos poseen una forma y volumen que fácilmente pueden variar.

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados anteriores, tal es el caso del agua.

Sin embargo existe un cuarto estado de la materia llamado plasma. Por ejemplo la materia que forma las estrellas está en estado de plasma.

Cambios de estado

Las modificaciones que sufre el estado de una sustancia determinada se conoce como cambio de estado.

Son ejemplos de cambios de estado:

• Fusión
• Vaporización
• Sublimación o Volatilización
• Sublimación inversa
• Solidificación
• Licuación

Medidas y Materia

Una magnitud es cualquier propiedad del universo que se puede medir o calcular de alguna forma. Por ejemplo el tiempo, la masa, etc.

Al resultado de comparar dos magnitudes de la misma naturaleza se lo denomina medida. Por ejemplo cuando se mide el tiempo se compara lo que tarda en ocurrir algo con lo que tardan las agujas del reloj en dar las vueltas.

Para llevar a cabo el proceso de medida se toma como referencia una cantidad de una determinada magnitud que se denomina unidad de medida. Por ejemplo una unidad de medida que se utiliza al medir el tiempo es el segundo.

 Actualmente las unidades de medida las establece el Sistema Internacional de unidades (SI).

Materia: Su clasificación

Se denomina sistema material a una porción limitada del universo que se separa real o imaginariamente para su estudio.

Los sistemas materiales se pueden clasificar:

 

• En función del pasaje de energía y materia:
  • Sistema abierto: es aquel sistema que intercambia materia y energía con sus alrededores.
  • Sistema cerrado: es aquel sistema que intercambia solamente energía con sus alrededores.
  • Sistema aislado: en este tipo de sistema no existe intercambio de energía con sus alrededores.
  • En función de sus propiedades internas:
    • Sustancia pura: cualquier material que tiene unas propiedades características que la distinguen claramente de otras.

 

• Elementos: sustancias puras que no se pueden descomponer de ninguna forma en otras más simples.
• Compuestos: son sustancias puras que se pueden descomponer en los elementos que las forman.

 

• Mezcla: está formada por la unión de varias sustancias puras que conservan propiedades independientes.

 

• Homogénea: los componentes de la mezcla no se distinguen a simple vista.
• Heterogénea: los componentes de la mezcla se distinguen a simple vista. En este tipo de mezcla sus componentes se pueden separar de forma sencilla.

 

Disolución

Es una mezcla homogénea de dos componentes. Al componente mayoritario se le llama disolvente y al componente minoritario se le llama soluto. Ambos componentes pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.

La concentración de una disolución es la cantidad de soluto que hay disuelto en una determinada cantidad de disolvente o en una determinada cantidad de disolución. 

Métodos de Separación

Las mezclas heterogéneas se pueden separar por medios mecánicos: filtración, decantación, atracción magnética, lixiviación y tamizado.

Las mezclas homogéneas se pueden separar por cristalización y destilación simple.

El Átomo a través de la historia

En la antigüedad surgieron preguntas como: ¿Qué ocurriría si dividiéramos un trozo de materia muchas veces? ¿Llegaríamos hasta una parte indivisible o podríamos seguir dividiendo sin parar?

Se establecieron dos teorías: atomista y continuista.

Los atomistas pensaban que:

• todo está hecho de átomos. Si dividimos una sustancia muchas veces, llegaremos a ellos;
• las propiedades de la materia varían según como se agrupen los átomos;
• los átomos no pueden verse porque son muy pequeños.

Los continuistas pensaban que:

• Los átomos no existen. No hay límite para dividir la materia.
• Si las partículas, llamadas átomos, no pueden verse, entonces es que no existen.
• Todas las sustancias están formadas por las combinaciones de los 4 elementos básicos: agua, aire, tierra y fuego. El quinto elemento.

Modelos Atómicos

Modelo de Thomson: Esfera positiva con electrones incrustados.

Modelo de Rutherford: Núcleo positivo y con casi toda la masa y electrones girando alrededor.

Modelo de Bohr: Núcleo positivo y los electrones girando en determinadas órbitas.

Modelo mecano-cuántico: Los electrones se encuentran en orbitales. Se llama orbital a la región del espacio en la que existe una probabilidad elevada (superior al 90%) de encontrar al electrón. Existen 4 tipos: s, p, d, f.

Estructura Atómica

El átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.

El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones.

La corteza rodea al núcleo y es donde se encuentran los electrones que son partículas con carga eléctrica negativa.

Molécula

Es la partícula más pequeña que presenta todas las propiedades físicas y químicas de una sustancia, y se encuentra formado por dos a más átomos.

Número Atómico

El número atómico (Z), se define como el número de protones en el núcleo de un átomo, como el átomo es estrictamente neutro, este número indica también el número de electrones.

Masa Atómica

El número de masa atómica (A), es el número de protones más el número de neutrones.

Masa Atómica (A) = Número de Protones (Z) + Número de Neutrones

Isótopos

Son átomos del mismo elemento con igual número atómico (Z), pero diferente número de masa atómica (A).

 

 

Concepto de elemento químico

Sustancia formada por átomos o iones que tienen igual cantidad de protones en su núcleo. Por ejemplo todos los átomos con 6 protones en sus núcleos son átomos del elemento químico Carbono, mientras que todos los átomos con 92 protones son átomos correspondientes al elemento químico Uranio.

Cada elemento químico se designa con un nombre distinto, que se debe o bien a su descubridor, propiedades, lugar donde fue hallado, etc. Por ejemplo el Nitrógeno es el nombre del elemento que proviene del nombre en latín Nitrum y cuyo símbolo es N.  

En la actualidad se conocen aproximadamente 112 elementos químicos, de los cuales 90 de ellos se encuentran en la naturaleza y el resto son artificiales creados en laboratorios, estos últimos, muchas veces son inestables y existen solo milésimas de segundos.

La tabla periódica

Clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos químicos conforme a sus propiedades y características; su función principal es establecer un orden específico agrupando elementos.

La Ley periódica propone el criterio de ordenamiento de los elementos químicos con base en el número atómico y enuncia la ley periódica moderna:

"Cuando los elementos se arreglan en orden de sus números atómicos, sus propiedades físicas y químicas muestran tendencias periódicas."

Estructura de la tabla periódica 

Los elementos químicos en la tabla periódica se ordenan de izquierda a derecha y de arriba a abajo en orden creciente de sus números atómicos. Quedando ordenados en 7 filas horizontales llamadas periodos y 18 columnas verticales llamadas grupos.

Propiedades periódicas

Son propiedades que presentan los elementos químicos y que se repiten secuencialmente en la tabla periódica.

Según la posición que ocupe en la tabla periódica un elemento, podemos deducir que valores presentan dichas propiedades así como su comportamiento químico.

Algunas propiedades periódicas importantes son:

• Estructura electrónica: distribución de los electrones en los orbitales del átomo
• Potencial de ionización: energía necesaria para arrancarle un electrón.
• Electronegatividad: mide la tendencia para atraer electrones.
• Afinidad electrónica: energía liberada al captar un electrón.
• Carácter metálico: define su comportamiento metálico o no metálico.
• Valencia iónica: número de electrones que necesita ganar o perder para el octete.

Metales, no metales, metaloides y gases nobles 

En la tabla periódica se pueden ver tres grandes grupos:

• Los metales son brillantes, sólo se derriten a altas temperaturas, su forma puede cambiar fácilmente, son buenos conductores del calor y la electricidad.

 

• Los no metales son opacos, son malos conductores de calor y electricidad, se derriten a bajas temperaturas y su forma no puede ser alterada fácilmente, ya que tienden a ser frágiles y quebradizos.

 

• Los metaloides pueden ser tanto brillantes como opacos, y su forma puede cambiar fácilmente. Generalmente son conductores de calor y de electricidad, de mejor manera que los no metales, y no tan bien como los metales.

 

 Los gases denominados nobles o inertes no reaccionan con los otros elementos.

El helio, el neón, el argón y kriptón son los primeros elementos de esta familia. Sus moléculas son monoatómicas, es decir, están constituidas por un único átomo.

Todos los gases nobles tienen ocho electrones en su último nivel (excepto el Helio que tiene dos).

 

Cambios Físicos y Químicos

Los cambios que se producen en la naturaleza se pueden clasificar en dos tipos:

• Cambios químicos: Son aquellos en los que unas sustancias se transforman en otras sustancias diferentes, con naturaleza y propiedades distintas. Por ejemplo se producen cambios químicos cuando una sustancia arde.
• Cambios físicos: Son todos aquellos en los que ninguna sustancia se transforma en otra diferente. Por ejemplo se producen cambios físicos cuando una sustancia se mueve. 

En los cambios químicos se produce la transformación de unas sustancias en otras diferentes y por lo tanto pueden tener propiedades diferentes.

Las sustancias que hay antes de producirse el cambio y que desaparecen se llaman reactivos.

Las sustancias que hay después de producirse el cambio y que aparecen o se generan se llaman productos.

Propiedades de las reacciones

Las propiedades físicas y químicas de los reactivos y productos son diferentes, ya que en las reacciones químicas se producen roturas y formaciones de los enlaces químicos, por lo que los átomos de reactivos y productos están unidos de forma diferente, con enlaces diferentes y con posiciones espaciales diferentes.

En los cambios químicos se produce la rotura y formación de enlaces entre los átomos, pero el número y tipo de átomos no varía. Cumpliéndose así la Ley de conservación de la masa:

  Masa total de reactivos = Masa total de productos

En toda reacción química se absorbe o desprende energía. La energía de reacción se obtiene de restar la energía de los enlaces que se rompen a la energía de los enlaces que se forman. Según criterios energéticos las reacciones se clasifican en:

• Exotérmicas: desprenden energía, se les asocia signo negativo.
• Endotérmicas: absorben energía, se les asocia signo positivo.

La velocidad de reacción es una medida relacionada con el tiempo que tardan los reactivos en transformarse en productos.

 

La velocidad de una reacción no está relacionada directamente con su energía de reacción. Una reacción puede ser rápida y ser exotérmica o endotérmica y viceversa

El interior de las reacciones

La descripción detallada de todo el proceso, que a nivel atómico se produce durante una reacción química, se conoce con el nombre de mecanismo de reacción.

La teoría de colisiones es un modelo para explicar los mecanismos de las reacciones químicas. Según esta teoría para que se produzca una reacción deben cumplirse tres condiciones:

• Las moléculas de los reactivos tienen que chocar entre sí.
• Estos choques deben de producirse con energía suficiente de forma que se puedan romper y formar enlaces químicos.
• En el choque debe haber una orientación adecuada para que los enlaces que se tienen que romper y formar estén a una distancia y posición viable.

Las reacciones químicas se pueden clasificar:

• Según la naturaleza de las sustancias que intervienen en la reacción:
  • Reacciones orgánicas
  • Reacciones inorgánicas
• Según la utilidad o aplicación de la reacción:
  • Reacciones de síntesis
  • Reacciones para obtener energía
  • Reacciones de degradación.
  • Reacciones de interés industrial.
• Según el mecanismo de la reacción:
  • Ácido-base.
  • Redox.
  • Precipitación
  • Complejación.

Ecuación Química 

Los cambios químicos se representan mediante lo que denominamos como ecuación química.

En el lenguaje químico, las reacciones químicas se representan mediante las ecuaciones químicas.

Toda reacción debe estar ajustada. Existen fundamentalmente dos métodos de ajustes de reacciones:

• Método de tanteo
• Método de los coeficientes indeterminados.

Clasificación de los Compuestos

Los compuestos pueden ser clasificados:

• Según el número de elementos diferentes que hay en su fórmula química se clasifican en Compuestos binarios, ternarios y cuaternarios. Así, por ejemplo, el NaCl, el H2O y el CO2 son compuestos binarios; el NaOH y el H2SO4 son compuestos ternarios y el NaHCO3 es un compuesto cuaternario.
•  Según las clases de elementos que lo constituyen, se clasifican en compuestos orgánicos y compuestos inorgánicos, aun cuando esta división no es taxativa.

Enlace Químico

Es la unión de dos o más átomos. Cuando el enlace se produce, los átomos adquieren mayor estabilidad energética (regla del octeto). Se puede clasificar en:

• Enlace metálico. En él, los electrones del último nivel se comparten entre todo el cristal.
• Enlace covalente. En él, los átomos comparten electrones para adquirir la configuración de gas noble (regla del octeto)
• Enlace iónico. En él, el átomo metálico cede electrones al no metálico y ambos adquieren configuración de gas noble.

Reacciones químicas y la vida cotidiana

El estudio de las reacciones químicas ha permitido a los científicos conocer la estructura íntima de las sustancias logrando identificar y diferenciar las sustancias que intervienen, comprender sus propiedades y establecer su comportamiento frente a otras clases de sustancias o bajo la acción de cualquier forma de energía. Esto ha sido aprovechado por los científicos para diseñar y construir materiales “a medida” para su uso.

Se dice que son materiales a medida porque el avance de los conocimientos ha permitido que actualmente, no sólo se busquen múltiples aplicaciones para un nuevo producto, sino que además se especifiquen primero, las características del material necesario para una aplicación dada, y luego se lo fabrique.

Aplicaciones de la Química

Muchos productos son elaborados a partir de aplicar los conocimientos que otorga la Química.

Los productos petroquímicos son elaborados por la industria química a partir de petróleo o gas natural. Por ejemplo detergentes y cosméticos que son utilizados directamente o también plásticos utilizados como materia prima para fabricar cientos de productos.

Pero los productos químicos también pueden tener aplicaciones que tengan como finalidad principal destruir la vida humana y su medio ambiente. Por ejemplo, las armas químicas son aquellas que se basan en las propiedades tóxicas de determinadas sustancias químicas o agentes químicos, capaces de alterar la fisiología de los seres vivos, causando graves daños o incluso la muerte del enemigo.

La Química y el desarrollo sostenible

La producción de conocimientos químicos y su correspondiente aplicación para desarrollar y producir nuevos productos tecnológicos, es indispensable en un cualquier país para lograr un desarrollo social, económico y ambiental sostenido.