INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA Y CONCEPTOS BÁSICOS.

La Química suele intervenir en la resolución de problemas del medio ambiente, la industria y las áreas que se relacionan con la salud.  La Química es el estudio de la composición, estructura, propiedades y reacciones de la materia.

Las sustancias químicas están presentes en los alimentos, medicinas, vitaminas, pinturas, pegamentos, productos de limpieza, materiales de construcción, automóviles, equipo electrónico y deportivo, y cualquier otra cosa que tengas al alcance.

Etapas evolutivas de la Química

Durante muchos siglos, la Química se ha encargado de estudiar la materia. Los filósofos griegos y alquimistas del siglo V a.C., pensaban que toda la materia se componía de cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua, con las cualidades de calor, frío, húmedo y seco. Esa teoría estuvo presente toda la Edad Media (hasta el siglo 1500 d.C., aproximadamente).

Robert Boyle, científico inglés, publicó su libro The sceptical chymistk (El químico escéptico) en 1661 donde explica acerca de las sustancias a las que llamó elementos: no se pueden descomponer en algo más simple; también menciona que si combinan dos o mas elementos se formaría una sustancia completamente diferente a la que se le llamaríacompuesto.

Antoine Lavoisier (1743 – 1794), científico francés, incluyó una tabla de 33 elementos en el primer texto de Química moderno llamado Tratado elemental de Química (1789), algunos de estos materiales no eran elementos pero Lavoisier fue el primero en utilizar nombres modernos y sistemáticos. Lavoisier llevó a cabo muchos experimentos cuantitativos, encontró que cuando se quema carbón mineral, se combina con oxígeno para formar dióxido de carbono, fue el primero en comprender el rol del oxígeno en la combustión, descubrió que un animal que respira consume oxigeno y forma dióxido de carbono, entonces ligó la combustión con la respiración. No se equivocó. Por su trabajo enfocado a establecer a la Química como una ciencia cuantitativa se le considera el “padre de la Química moderna”.

Ramas de la Química y su relación con otras ciencias

La Química es una ciencia que estudia la materia, su estructura interna, sus cambios, sus relaciones con energía, estudia las leyes que rigen a los cambios y las relaciones con la energía. Es decir, estudia cómo está formada la materia, y sus transformaciones.

A la Química se le describe con frecuencia como la ciencia fundamental. Ya que si estudias biología, geología o física, encontrarás temas en donde la Química intervendrá.

El campo de estudio de la Química es muy amplio, sin embargo se enlistan algunas ramas que se derivan de la Química:

Química general: rama que estudia los principios básicos generales de la estructura interna de la materia y sus propiedades.

Química inorgánica: estudia las sustancias de origen mineral, es decir, todos los compuestos de la tabla periódica, excepto el carbono, a menos que esté oxigenado.

Química orgánica: su campo de estudio se refiere a los compuestos derivados del carbono que están hidrogenados y el nombre de orgánica es debido al origen de su teoría que se pensaba que las sustancias orgánicas solamente son las que tienen vida o son originadas por los seres vivos, en la actualidad no es así.

Química analítica: estudia los métodos para determinar y reconocer los constituyentes de los compuestos, analizando cualitativamente (calidad, qué) y cuantitativa (cantidad, cuánto).

Fisicoquímica: comprende las leyes básicas de la Química, comprende también las teorías e hipótesis que la explican.

Bioquímica: estudia los procesos químicos que ocurren en (o por causa de) los seres vivos.

Al relacionar a la Química con otras ciencias, se originan ciencias intermediarias que enlazan a la Química. 

ACTIVIDAD:

1. Menciona un producto de cada una de las siguientes industrias:
1. Agrícola
2. Ganadera
3. Papelera
4. Alimentaria
5. Metalúrgica
6. Electrónica
7. Del vidrio
8. Textil
9. Farmacéutica
10. Petroquímica
11. Minera
12. Cerámica
13. Cosmética
14. Cementera
15. Automotriz
16. Biomédica

 2. Escribe la definición de Química Inorgánica y cual es su importancia para la carrera que estudias.

3. Leer  "La Química y el buceo en aguas profundas (Burns, 2003)" para contestar unas preguntas que se encuentran debajo de la lectura:

La Química y el buceo en aguas profundas Joel Hilderbrand, químico destacado y profesor de la Universidad de California en Berkeley, publicó en 1916 un trabajo de investigación sobre solubilidad. En su artículo, Hilderbrand describía una investigación básica sobre la solubilidad de los gases en los líquidos; es decir, qué cantidad de cierto gas se disuelve en un líquido determinado en condiciones específicas. Predijo que el helio seria menos soluble que cualquier otro gas, y propuso entonces una mezcla de helio y oxígeno en vez de aire, que es una mezcla principalmente de nitrógeno y oxígeno, para el buceo en aguas profundas. Cuando el buzo utiliza aire, el nitrógeno se disuelve en su sangre. Conforme el buzo sube a la superficie, se separan burbujas de nitrógeno de la sangre, las cuales provocan una dolorosa afección medica conocida como enfermedad del buzo, o trombosis por descompresión. Este problema se evita utilizando una mezcla de oxígeno y helio, porque el helio es menos soluble que el nitrógeno en la sangre. Los buzos profesionales de aguas profundas utilizan ahora mezclas de helio y oxígeno. Gracias a que Hilderbrand tuvo curiosidad por la solubilidad de los gases en los líquidos (un tema de investigación básica), estos buzos ya no necesitan preocuparse tanto como antes por esa dolorosa afección (una aplicación básica). […]

1. ¿Qué gas es el que les produce malestar a los buzos?
2. ¿Cuál es la “enfermedad de los buzos”?
3. ¿Qué es trombosis?
4. ¿Qué gas se utiliza en los tanques de los buzos profesionales?
5. ¿Por qué los buzos no tienen de qué preocuparse? 

CONCEPTOS BÁSICOS:

Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y además posee masa e inercia.

La materia se presenta en estados como:

Gaseoso	La distancia entre moléculas es muy grande y las fuerzas intermoleculares son despreciables. Las colisiones entre moléculas y las paredes del recipiente son perfectamente elásticas (no pierden energía). •  Expansión: llenan todo el espacio donde se contienen (ejemplo: los tanques de gas). •  Forma: indefinida. •  Volumen: indefinido. •  Compresibilidad: se pueden comprimir, disminuir el volumen al aplicar una fuerza. •  Baja densidad: las densidades son inferiores a líquidos y sólidos. •  Miscibilidad: si dos o más gases no reaccionan al juntarse, se mezclan de manera uniforme.
Liquido	La distancia entre moléculas es pequeña y éstas cambian de lugar ordenadamente sin ocupar posiciones definidas; las fuerzas de cohesión y repulsión están en equilibro. •  Expansión limitada: no se expanden indefinidamente como los gases. •  Forma: del recipiente que los contiene. •  Volumen: presentan volumen fijo. •  Compresibilidad: se comprimen ligeramente cuando ocurre algún cambio de temperatura o presión. •  Alta densidad: su densidad es mucho mayor a la de los gases. • Miscibilidad: un líquido se mezcla con otro cuando es soluble.
Sólido	Las moléculas se encuentran más cercanas entre sí. Las fuerzas que predominan entre ellas es cohesión. Por tanto el movimiento de moléculas consiste en vibración en torno a puntos fijos. •  Expansión: no se expanden, a menos que la temperatura varíe y es muy pequeña la expansión. •  Forma: tienen forma definida. •  Volumen: su volumen es definido. •  Compresibilidad: los sólidos no se pueden comprimir. •  Alta densidad. •  Miscibilidad: se mezclan con gran lentitud de tal forma que no lo podemos apreciar, ejemplo: la formación de las rocas.
Cristal liquido	Al fundir un sólido se desintegran sus redes cristalinas y pueden perder su patrón tridimensional, pero los cristales líquidos pierden su rigidez de sólo dos dimensiones. Las fuerzas interpartículas son débiles y su ordenamiento se rompe con facilidad y puede fluir como líquido. Se usa en las pantallas de cristal líquido (LCDLiquid Cristal Display , en inglés), en relojes digitales, termómetros digitales, calculadoras ylaptop, porque además este material puede cambiar de color a temperaturas específicas.
Material amorfo	Tiene una red cristalina desarticulada e incompleta, a pesar de tener forma y volumen fijos no se consideran sólidos. Ejemplos: cera, mantequilla, algodón de dulce, etcétera.
Plasma	Es un gas ionizado que conduce corriente eléctrica pero es eléctricamente neutro. Se forma a temperaturas muy elevadas, cuando la materia absorbe energía y se separa formando iones positivos y electrones. En las estrellas, la energía que ionizan los gases se produce como consecuencia de reacciones de fusión nuclear.

Energía es aquella que provoca cambios, pueden ser físicos, químicos o nucleares. La energía existe en forma potencial y cinética. La energía se puede manifestar en energía:

• Química
• Nuclear
• Mecánica
• Magnética
• Calorífica
• Luminosa
• Eléctrica
• Sonora

Energía cinética. Es la energía que tienen los cuerpos en virtud a su actividad química. Depende de dos factores: masa y velocidad. Desde el punto de vista químico, es la energía liberada o absorbida mientras se reaccionan los compuestos.

Energía potencial. Es la energía que se encuentra almacenada en un cuerpo. Desde el punto de vista químico, es la capacidad que tienen las sustancias de liberar o absorber energía antes de reaccionar con otra sustancia.

Calor específico. Es la propiedad específica de la materia que expresa la cantidad de calor que requiere elevar un grado Celsius de temperatura a un gramo de sustancia.

Mezcla, compuesto y elemento

La materia, como puedes observar en el diagrama, se compone de sustancias puras y mezclas.

Sustancia pura. Es un tipo de materia que tiene una composición fija o definida. Hay dos tipos de sustancia pura: elementos y compuestos.

Elemento. Es una sustancia pura que no se puede descomponer en sustancias más simples por métodos físicos o químicos. En la naturaleza se encuentran 91 elementos, entre ellos el cobre, el oxígeno y el oro; también hay varios elementos que no existen en la naturaleza sino que han sido desarrollados por los científicos.

Compuesto. Es una combinación de dos o más elementos diferentes que se unen químicamente. Muchas de las sustancias con las que estas familiarizado, y también gran parte de la materia del universo se presenta en forma de compuesto. El agua, la sal de mesa, el azúcar y la aspirina son ejemplos de compuestos.

Mezclas. Es la reunión de dos o mas sustancias puras, en la cual cada una de ellas mantiene sus propiedades químicas individuales. La composición es variable y la cantidad de mezclas que se pueden crear es infinita. Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Homogéneas. Tiene composición constante, siempre está en una fase única.

Heterogéneas. Se les conoce como soluciones y están presentes en los tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

Métodos físicos de separación. 

Como la mayor parte de la materia esta mezclada, los científicos para analizarla separan las mezclas en sus sustancias componentes.

Filtración. Técnica que usa una barrera porosa para separar un sólido de un líquido.

Destilación. Se basa en las diferencias de los puntos de ebullición de las sustancias involucradas. Se calienta hasta que la sustancia más volátil se convierte en vapor y luego se puede condensar y recoger. 

Cristalización. Da como resultado la formación de partículas sólidas puras de la sustancia a partir de una solución que contenía dicha sustancia. 

Cromatografía. Separa los componentes de una mezcla aprovechando la tendencia de cada componente a desplazarse por la superficie de otro material

Decantación . En este método se deja reposar durante cierto tiempo una mezcla de componentes sólidos y líquidos, para que la acción de la gravedad los separe.

Centrifugación . En ocasiones la sedimentación del sólido es muy lenta y se puede acelerar mediante la fuerza centrifuga. Se coloca la mezcla en recipientes que se hacen girar a gran velocidad y los componentes menos densos (menos pesados) se depositan en el fondo. 

Evaporación. Separa un sólido de un líquido, cuando se quiere recuperar el sólido. Se calienta la mezcla, se evapora el componente líquido, y queda el sólido en el recipiente. 

Sublimación. Se usa para separar al yodo de otros materiales sólidos (el yodo se sublima al calentarlo, pasa de sólido a gaseoso sin pasar por el líquido) luego el gas se condensa en una superficie fría.

Propiedades y cambios

Propiedades físicas. Son las características que presenta la materia sin alterar su estructura interna, sin transformarse en otras sustancias. Ejemplos:

• Cambios de estado.
• Color.
• Olor (organolépticas).
• Sabor (organolépticas).
• Dureza.
• Punto de fusión.
• Punto de ebullición.
• Densidad.
• Calor específico.
• Maleabilidad.
• Ductilidad.
• Solubilidad.
• Etcétera.

Propiedades químicas. Son aquellas que presenta la materia al transformarse de una sustancia a otra diferente, alterando su estructura interna. Ejemplo:

• Combustibilidad.
• Comburencia.
• Oxidación.
• Facilidad de transformarse en otra sustancia.
• Facilidad de combinarse con otra sustancia.

Cambios físicos. Son aquellos fenómenos físicos cuando la materia sufre cambios sin alterar su estructura interna. Ejemplos:

• Doblar un alambre.
• Fragmentar un trozo de madera.
• Calentar agua.
• Cualquier cambio de estado.

Cambios químicos. Son los fenómenos químicos que producen alteraciones en la estructura interna de la materia. Se le denomina reacciones químicas. Ejemplos:

• Combustión.
• Oxidación de hierro.
• Agriado de la leche.
• Cocinar alimentos.
• Digestión.

Cambios de estado de la materia

Los cambios de estado son cambios físicos , ya que no se modifica la composición interna de la sustancia. Los cambios de estado pueden ser endotérmicos y exotérmicos.

Cambios endotérmicos de estado, absorben energía para llevarse a cabo: requiere que se les aplique calor o incremento de temperatura. Son: fusión, vaporización y sublimación.

Cambios exotérmicos de estado, son los que liberan energía o calor, se enfrían o disminuye la temperatura. Son condensación, salificación y deposición.

Fusión: cambio de estado sólido a estado líquido.

Vaporización: estado líquido se convierte en estado gaseoso.

Sublimación: cambia de estado sólido a gaseoso sin pasar por el estado líquido.

Condensación: cambio de estado gaseoso a estado líquido.

Solidificación: cambio del estado líquido a estado sólido. 

Deposición: cambio del estado gaseoso al estado sólido sin pasar por el estado líquido.

ACTIVIDAD: 

Realiza los siguientes ejercicios. Identifica cada uno de los siguientes ejemplos como una propiedad física o química: El oro es brillante. El oro se funde a 1064º C. El oro es buen conductor de electricidad. Cuando el oro reacciona con azufre amarillo se forma un compuesto sulfuroso negro. Clasifica cada uno de los siguientes ejemplos como una mezcla homogénea o heterogénea: Pastel con helado. Té de hierbas. Aceite vegetal. Agua y arena. Mostaza. Identifica cada uno de los siguientes ejemplos como una propiedad física o química: Una vela tiene 10 pulgadas de alto y 2 pulgadas de diámetro. Una vela arde. La cera de una vela se suaviza en un día cálido. Una vela es azul. Clasifica cada uno de los siguientes ejemplos como elemento, compuesto o mezcla: Carbono en los lápices. El dióxido de carbono (CO2) que exhalas. Jugo de naranja. Gas neón en luces. Un aderezo de aceite y vinagre para ensaladas. Identifica cada uno de los siguientes estados como sólido, líquido o gas: Palomitas de maíz en una bolsa. Agua en una manguera de jardín. Un ratón de computadora. Aire en una llanta. Té caliente en una taza. De los ejemplos que se mencionan, identifica aquellos que implican un cambio químico: La madera arde en una estufa de leña. A una planta le brota una nueva hoja. La madera se corta para la chimenea. En el pasto se forma escarcha de nieve. Identifica cada uno de los siguientes casos como un cambio físico o cambio químico: El cabello corto crece hasta que está largo. Las zanahorias se rayan para usarse en la ensalada. La malta experimenta fermentación para hacer cerveza. Una tubería de cobre reacciona con el aire y se vuelve verde

links de consulta:

• Cultura general (s.f.). Historia de la Química. Recuperado el 15 de Abril, 2009 de http://www.culturageneral.net/quimica/historia.htm
•  Mi Tecnológico (s.f.). Sustancias puras elementos compuestos. Recuperado el 15 de Abril, 2009 dehttp://www.mitecnologico.com/Main/SustanciasPurasElementosCompuestos