Fundamentos de Química

Proyecto FECINCAPor: MSc. Luis Enrique Santos

Proyecto FECINCAPor: MSc. Luis Enrique Santos

• Concepto de Química

• Clasificación de la Materia

• Estados de la Materia

• Cambios de Estado

• Propiedades de la Materia

• Transformaciones de la Materia

Fundamentos

de Química

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¿Qué es Química?¿Qué es Química?

Antes de proseguir con el curso será necesario que establezcamos una definición científica de lo que es química:

• Química es la ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica y molecular.

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La química, la física y la biología son ciencias que estudian la estructura, propiedades y transformaciones de la materia , pero lo hacen bajo parámetros diferentes.


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Es la parte final de esta definición, la que diferencia a la química del resto de las ciencias naturales


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Veamos los parámetros bajo los cuales la Química estudia la materia:

• “La composición atómica y molecular de la materia” se refiere a las interacciones de la materia del orden que va de los nanómetros a los fentómetros, lo cual delimita el campo de estudio de la Química a estas dimensiones.


Al hablar del nanómetro, empleamos el prefijo “nano” que tiene como factor: 10-9

Nos referimos entonces a la milmillonésima parte de un metro:

1nm = 0.000000001 m

= 1x10-9 m

Recordemos lo que es un nanómetro, viendo la tabla de equivalencias que ya debe poseer en sus manos:


Un fentómetro, utiliza el prefijo “fento” que tiene como factor: 10-15

Así que un fentómetro equivale a la billonésima parte de un metro:

1pm = 0.000000000001 m

= 1x10-12 m

Y que pasa con los fentómetros:

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Para entenderlo mejor esto veamos un ejemplo en que analicemos las dimensiones involucradas.

Iniciaremos explorando materia vegetal en dimensiones que le corresponden al campo de estudio de la Biología

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¿Qué es la química?¿Qué es la química?

Sub-multiplos

1 Metro (1 m)

Comencemos con lo que nuestros ojos pueden apreciar al estar a un metro de distancia de un árbol y vamos acercándonos cada vez más

A esta distancia observamos: Las hojas y ramas de un árbol

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Sub-multiplos

1 Decimetro (1 dm)

1 Metro (1 m)



Ahora acerquémonos un poco más, hasta estar a unos 10 cm de distancia…es decir un decímetro

Ahora vemos en detalle una sola hoja

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Sub-multiplos

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)

1 Metro (1 m)





Vamos 10 veces más cerca…es decir a 1 cm de distancia

Distinguimos ahora las estructuras de la superficie de la hoja

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)

1 Metro (1 m)







A 1mm de distancia (0.001m) veremos aun más detalles de la hoja

Nos encontramos aun en el campo de la Biología

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)

1 Metro (1 m)









Con una lupa podemos ver detalles de 0.0001 m y observar células vegetales

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)

1 Metro (1 m)










Si empleamos un microscopio logramos una imagen de 0.00001 m viendo ahora las células individuales

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)

1 Micrometro (1 µm)

1 Metro (1 m)











Vemos el núcleo celular aparecer al llegar a 1 μm de distancia es decir 0.000001 m =1x10-6 m

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Metro (1 m)










Sigue siendo campo de estudio de la Biología



A 1x10-7 m vemos la estructura conocida como cromatina que esta dentro del núcleo celular

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Metro (1 m)












Acercándonos más con el microscopio…



La famosa doble hélice del ADN es visible a 1x10-8 m

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Metro (1 m)















En adelante entraremos al campo de la química

Hemos llegado al limite del campo de estudio de la Biología

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Metro (1 m)

















En adelante entraremos al campo de la químicaLas moléculas que forman el ADN son visibles al llegar a 1x10-9 m es decir 1 nm

La visión molecular del ADN es parte de la Bioquímica

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Metro (1 m)


















En estas dimensiones la Química es la ciencia aplicable

La nube de electrones de un átomo de carbono del ADN es visible a 1x10-10 m

Aquí el átomo parece una esfera sólida

1 Amstrong (1 Å)

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Metro (1 m)




















A 1x10-11 m nos adentramos en la nube de electrones

Aquí el átomo parece una esfera sólida Atravesamos capa, tras capa de electrones

1 Amstrong (1 Å)

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Picometro (1 pm)

1 Metro (1 m)






















Al llegar a 1x10-12 m es decir un picómetro, vemos a lo lejos el núcleo atómico

Un gran espacio vacio aparece entre cada capa de electrones

1 Amstrong (1 Å)

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Picometro (1 pm)

1 Metro (1 m)
























Ahora vemos a 1x10-13 m que el núcleo atómico esta formado por sub-partículas

Nos acercamos cada vez más al núcleo atómico

1 Amstrong (1 Å)

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Picometro (1 pm)

1 Metro (1 m)

























Observamos el núcleo atómico compuesto de sub-partículas

En 1x10-14 m podemos observar los protones y neutrones del núcleo

1 Amstrong (1 Å)

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Fentometro (1 fm)

1 Picometro (1 pm)

1 Metro (1 m)



























Al llegar a los fentómetros 1x10-15 m llega el límite del campo de la química

Lo que vemos es la superficie de un protón

1 Amstrong (1 Å)

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Attometro (1 am)

1 Fentometro (1 fm)

1 Picometro (1 pm)

1 Metro (1 m)





























De aquí en adelante es la Física Nuclear quien se encarga del estudio

Aquí se habla en attómetros (1x10 -18 m)

1 Amstrong (1 Å)

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Sub-multiplos

1 Milimetro (1 mm)

1 Decimetro (1 dm)

1 Centimetro (1 cm)


1 Nanometro (1 nm)

1 Attometro (1 am)

1 Fentometro (1 fm)

1 Picometro (1 pm)

1 Metro (1 m)





























Los físicos hablan de la existencias de otras micro-partículas más pequeñas, e incluso de micro-cuerdas que serían la base de la materia

Aquí se habla en attómetros (1x10 -18 m)

1 Amstrong (1 Å)

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Comprendemos ahora que la química si bien estudia toda la materia, lo hace en un rango muy definido dimensionalmente:

de nanómetros a fentómetros 1x10 -9 m a 1x10 -15 m

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¿Pero qué pasa con el resto de nuestra definición?


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A esta altura Ud. ya ha estudiado que las ciencias tienen un campo y método de

estudio bien definidos

Para la Química

Su campo de estudio es: la estructura, propiedades y transformaciones de la materia en las dimensiones ya mostradas (nm - fm)

Y su método es el Método Científico

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No podemos seguir dejando por fuera la definición de materia:

• Materia es el nombre que se le da a todo aquello que ocupa un lugar en el espacio.

• Dicho en otras palabras, materia es todo lo que tiene masa y volumen.

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Vienen aquí sus primeras preguntas:

1. ¿Qué diferencia hay entre las definiciones de materia y energía?

2. ¿El fuego es materia o es energía?

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Continuando

Veamos entonces las definiciones de masa y volumen para comprender las características de la materia

Masa: Cantidad de materia que ocupa un cuerpo (La materia es medible)

Volumen: Cantidad de espacio que ocupa la materia (La materia ocupa espacio)

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Entendido el concepto de materia repasemos un poco la clasificación básica que posee:

Materia

Mezclas Sustancias Puras

Homogéneas Heterogéneas Compuestos Elementos

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Otra forma de clasificar la materia puede exponerse en el esquema siguiente:

Materia

Sustancias Homogéneas Mezclas Heterogéneas

Mezclas o Soluciones Sustancias Puras

CompuestosElementos


Sabemos que la materia Homogénea es aquella que se ve como una sola cosa, sin distinción de sus partes, por ejemplo:

Puede ser una sustancia pura o una mezcla, pero debe verse como una sola sustancia

Bebida alcohólica (agua, alcohol y limón)

que se ve como un líquido translúcido


Sabemos que la materia Heterogénea es aquella en que se pueden distinguir al menos dos de las partes que la componen, por ejemplo:

En un piso de Granito podemos distinguir diferentes minerales de diversos colores.

En el famoso plato latino, conocido como gallo pinto o casamiento, podemos distinguir sin problemas los granos de maíz y los de frijol

Al observar detenidamente un refresco de soda, podemos distinguir al menos dos de sus partes: una parte líquida color caramelo y múltiples burbujas de gas (CO2)


Ahora si hablamos de materia Homogénea nos referimos a todo aquello que se ve como una sola cosa, sin distinción de sus partes, por ejemplo:

Bebida alcohólica

Aun cuando sabemos que tiene diversas partes (agua, alcohol y limón), la vemos como un solo líquido translúcido

Con la leche sucede igual (agua, grasa, vitaminas, azucares, etc…), la vemos como un único líquido de color blanco


Habrá que tener cuidado, pues si bien la materia Heterogénea siempre esta formada por al menos 2 sustancias diferentes, la materia Homogénea puede ser tanto un mezcla, como una sustancia pura:

Un jugo de naranja es homogéneo pero a la vez es una mezcla de agua, sumo y azúcar

Por otra parte el agua también es una sustancia homogénea, pero no es una mezcla de otras sustancias…ella es una sustancia pura, formada únicamente por el compuesto H2O

http://www.public.asu.edu/~dmvargas/Images/Jugo%20de%20Naranja.jpeg

http://www.venelogia.com/uploads/vaso_agua.jpg

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En el diagrama de clasificación de la materia, vemos que aun dentro de las sustancias puras existe una sub-clasificación en elementos o compuestos:

Materia

Homogénea Heterogénea

Mezclas o Soluciones Sustancias Puras

CompuestosElementos

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¿Pero cómo diferenciar si una sustancia que se ve igual (Homogénea) es un elemento o es un compuesto?

La respuesta no es tan complicada:

Basta con buscar si la sustancia se encuentra en la Tabla Periódica, en cuyo caso es un elemento.

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En el caso del Agua, nos damos cuenta que no hay en la tabla periódica una sustancia con este nombre, por lo que podemos determinar que esto es un compuesto

Además conocemos que el agua tiene una fórmula química: H2O

La cual indica que este compuesto esta formado por dos diferentes elementos:

Hidrógeno y Oxígeno

http://www.venelogia.com/uploads/vaso_agua.jpg

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De hecho al igual que el agua todas las sustancias puras puede representarse por una fórmula química, la cual contendrá un solo símbolo si se trata de un elemento y al menos dos símbolos de elementos al tratarse de un compuesto.

Los elementos son representados por al menos una letra mayúscula, acompañada en ocasiones por una letra minúscula.

Si queremos saber cuantos elementos tiene un compuesto, solo tendremos que contar entonces cuantas letras mayúsculas hay en su fórmula química

H2ODos elementos

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No existe ningún elemento representado exclusivamente con letras minúsculas, por lo cual una formula química siempre deberá tener al menos una letra mayúscula

CO

Co

co

Compuesto formado por 2 elementos: Carbono y Oxígeno

Un solo elemento (Cobalto)

Esto no existe

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Una vez entendido como se representan los elementos y compuestos, podemos hablar del significado del resto de símbolos que aparecen en una fórmula química:

Na2SO4 (s)

No. de átomos

Tipos de átomos

Estado

En este caso vemos que existen en el compuesto 3 tipos diferentes de elementos:

Sodio (Na)

Azufre (S)

Oxígeno (O)

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En el caso de los números que aparecen como subíndices, representan el número de átomos que existen de cada elemento

Na2SO4 (s)

No. de átomos

Tipos de átomos

Estado

En este compuesto existen:

2 átomos de Sodio (Na)

1 átomo de Azufre (S)

4 átomos de Oxígeno (O)

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Además aparece entre paréntesis una letra “s” que representa el estado de la materia en que se encuentra este compuesto.

Na2SO4 (s)

No. de átomos

Tipos de átomos

Estado

(s): Sólido

(l): Líquido

(g): Gas

(ac): Acuoso …diluido en

agua

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Sin duda Ud. ya conoce los 3 estados fundamentales de la materia:

Sólido

(s)

Líquido

(l)

Gas

(g)

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Sabrá también que cambiando las condiciones de temperatura o presión, podemos cambiar de un estado a otro, y que cada cambio recibe un nombre específico:

Gas

Sólido

Líquido SublimaciónDeposición

VaporizaciónCondensación

FusiónSolidificación

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Vienen ahora unas cuantas preguntas:

3. ¿Qué otros estados de la materia existen (mencione al menos 3 más)?

4. ¿Dónde encontramos plasma?

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Al recordar la definición de química, vemos que hemos explorado dentro de ella los conceptos de ciencia y materia, a la vez que indagamos en lo referente a la estructura y clasificación de la materia.


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Debemos ahora de hablar de las propiedades de la materia:

• La materia, tal como ya lo ha investigado en tareas anteriores, tiene propiedades extrínsecas (generales o extensivas) y propiedades intrínsecas (particulares o intensivas)

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Las propiedades extrínsecas o generales si bien sirven para describir una sustancia, no nos proporcionan suficiente información para diferenciarla de otras. Por ejemplo:

• Color• Sabor• Textura• Masa• Volumen• Etc…

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Mientras que propiedades intrínsecas o específicas son precisamente las que marcan la diferencia entre un tipo de sustancia y otra. Por ejemplo:

• Punto de Fusión• Punto de Ebullición• Calor Específico• Etc…

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Para terminar de comprender la definición de química, debemos clarificar la diferencia entre los dos tipos de transformaciones que puede sufrir la materia: Físicas y Químicas


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Las transformaciones de la materia pueden ser entonces:

FÍSICAS: Si pueden observarse sin cambiar la composición de la sustancia.Romper un trozo de papel, quebrar un vidrio, cambiar de estado, etc…

QUÍMICAS:Si únicamente se observan al cambiar la composición de las sustancia involucradas.Oxidación de un clavo, Combustión de un trozo de papel, Putrefacción de un ser vivo, Fermentación de un vino, etc…

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Podemos esquematizar lo anterior de la forma siguiente:

Transformaciones Físicas:

Sin alterar la composición química de la materia

A + B A + B

Transformaciones Químicas:

Alteran la composición química de la materia

A + B C + D

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En adelante llamaremos a las transformaciones químicas con el nombre de: Reacciones Químicas, a lo cual dedicaremos una buena parte del curso de ahora en adelante.

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Por ahora nos quedaremos aquí, esperando su comprensión sobre lo que es Química y su campo de estudio

• Muchos éxitos y adelante!

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