CAPITULO I
INTRODUCCIÓN A LA QUIMICA Importancia de la Química
La química es una ciencia antigua que el hombre ha practicado desde siempre buscando comprender los misterios del entorno que habita. Ha sido cultivada y estudiada a largo de milenios de diferentes formas y persiguiendo los más variados objetivos- por las civilizaciones de todos los continentes.
Pero la química, tal como la concebimos hoy en día, puede decirse que apenas tiene un par de siglos de vida. Efectivamente, fue Antoine Lavoisier quien a fines del siglo XVIII, haciendo uso de la balanza, la convirtió en una ciencia cuantitativa y por primera vez plasmó los conceptos básicos de las combinaciones químicas, la estequiometria y la combustión. Es por eso que, con sobrada razón, es reconocido como el "padre de la química". En su tiempo se conocían sólo unos veinte elementos;
la tabla periódica fue creciendo muy lentamente y los 112 elementos que hoy la conforman son producto del siglo XX.
La constitución de la materia también comenzó a desentrañarse a fines del siglo XVIII con los experimentos de Luigi Galvani que determinaron la naturaleza eléctrica de la materia, pero fue en el siglo XX cuando Gilbert Newton Lewis hizo los primeros intentos por comprender la forma en que se unían los átomos para formar las moléculas. Luego, en 1954 para mayor precisión, Linus Pauling, el químico más destacado del siglo pasado, obtuvo el Premio Nóbel de Química por sus trabajos sobre la naturaleza del enlace químico, fundamental para la comprensión moderna de la estructura de la materia y básico para el desarrollo de la investigación en el campo de la química.
La obtención de nuevos compuestos ha sido otro de los logros de la química que comienza a materializarse a principios del siglo XIX, con la síntesis de la urea lograda por Friedrich Wóhler en 1829. Desde entonces muchos nuevos compuestos han sido sintetizados: de unos millares disponibles antes de 1950 a unos cuantos millones con que se cuenta en la actualidad. Las nuevas técnicas analíticas que permiten rápidas caracterizaciones de compuestos desconocidos y la elucidación de sus estructuras ha sido la base de este impresionante avance de nuestro tiempo. Así mismo, la dinámica de los procesos químicos que nos dice cómo y por qué ocurren las reacciones químicas, ha alcanzado un desarrollo tal que permite seguir reacciones que ocurren en femtosegundos (10-15 segundos), un logro que ha producido una verdadera revolución en el conocimiento y uso de la química.
En la actualidad, los químicos usan rutinariamente métodos mecánico-cuánticos y simulaciones computacionales para explicar y predecir las propiedades y el comportamiento de sistemas químicos.
Lo más importantes enfoques de la química moderna están relacionados con la biología y los nuevos materiales. Las contribuciones de la química a las disciplinas asociadas con la biología, como por ejemplo, la salud o el ambiente, han sido cruciales y lo mismo ocurre con la síntesis y desarrollo de nuevos materiales que por sus propiedades particulares abren novedosos campos a la investigación y a la industria.
Constitución química del universo, la tierra y el hombre
Todo el universo esta compuesto por partículas o elementos llamadas átomos cuya distribución es muy irregular. Dos elementos, el hidrogeno y el helio, son los que forman parte principal del universo.
Once elementos forman aproximadamente el 99 % de la corteza terrestre, el oxigeno es el mas abundante con el 47 % seguido por el silicio con el 28 %.
La composición del cuerpo humano y la del agua de mar aparecen muy similares, lo que da una idea de que nuestra vida no es posible en ausencia de agua.
La siguiente tabla muestra la composición porcentual den cada una de las regiones mencionadas Composición
Universo
Composición corteza terrestre
Composición agua de mar
Composición cuerpo humano Porcentaje del total de Átomos
H 91 O 47 H 66 H 63
He 9,1 Si 28 O 33 O 25,5
O 0,057 Al 7,9 Cl 0,33 C 9,5
N 0,042 Fe 4,5 Na 0,28 N 1,4
C 0,021 Ca 3,5 Mg 0,033 Ca 0,31
Si 0,003 Na 2,5 S 0,017 P 0,22
Ne 0,003 K 2,5 Ca 0,006 Cl 0,03
Mg 0,002 Mg 2,2 K 0,006 K 0,06
Fe 0,002 Ti 0,46 C 0,0014 S 0,05
S 0,001 H 0,22 Br 0,0005 Na 0,03
C 0,19 Mg 0,01
otros < 0,001 otros < 0,010 otros < 0,001 otros < 0,01 X : Elementos esenciales para la vida
Así, en la corteza terrestre, salvo Oxígeno que participa en muchos óxidos de elementos químicos y en el agua que abunda en nuestro medio, el Silicio es el siguiente elemento de gran abundancia y que forma parte de la tierra propiamente tal, en los campos y en las arenas tanto de río como de mar, en las rocas, montañas, etc.
Materia y Energía
Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio. La Masa es una medida de la cantidad de materia que hay en una muestra de cualquier material. Cuanta mayor masa tenga un objeto, más fuerza se requerirá para moverlo, lo cual nos lleva al concepto de Energía.
La Energía suele definirse como la capacidad de realizar un trabajo. Todos estamos familiarizados en nuestra vida diaria con varias formas de energía, como la energía mecánica, eléctrica, calorífica y luminosa. Por razones de comodidad, la energía se clasifica en dos tipos principales: energía potencial y energía cinética.
La Energía Potencial es aquella que un objeto o una muestra de material poseen por su situación o composición. Por ejemplo, el carbón, tiene energía química (una forma de energía potencial) debido a su composición. Muchas plantas generadoras de electricidad queman carbón que produce calor y, a continuación energía eléctrica.
Un cuerpo en movimiento, como una roca rodando, tiene energía a causa de su movimiento. Esta energía se denomina Energía Cinética. La energía cinética representa la capacidad de realizar
Todos los Procesos Químicos se acompañan de cambios energéticos. La mayoría son Exotérmicos, o sea que según ocurre la reacción se cede energía al entorno, generalmente en forma calorífica. Sin embargo, algunos procesos químicos son Endotérmicos, es decir, absorben energía del entorno.
Ocurre que algunas formas de la materia se convierten rápidamente en otras mediante reacciones químicas, las que si se controlan apropiadamente, producen grandes beneficios. Por ejemplo, el uso de la gasolina en automóviles es justamente uno de estos casos ya que, sin entrar en detalles, lo que ocurre dentro del motor es una reacción de la forma
Gasolina + Aire (el oxígeno del aire) chispa inicial> Agua + CO2 + Calor
y es ese Calor el se convierte en energía mecánica que mueve todo el sistema mecánico automotriz!
Obviamente, esta no es la única forma de cambios de la materia que nos importa, ya que desde el inicio de mundo hay reacciones que tiene directa relación con la conservación de las especies vivas.
Un ejemplo de esto es que, para el hombre,
Hombre + Alimentos reacciones químicas > Conservación de la vida
lo que significa que, al menos que existan los alimentos, nada quedaría. A propósito, ¿ de donde provienen los alimentos ? La respuesta está directamente relacionada con la presencia de la LUZ SOLAR en nuestro medio, para que ocurra otra reacción química de la forma
Luz solar + CO2 + Plantas reacción química > Alimentos
con el resultado que la Energía Solar proveniente de los rayos del Sol, junto al anhídrido carbónico del aire y las plantas, producen los alimentos necesarios que, al ocurrir la reacción anterior
relacionada al Hombre, recuperamos las energías y almacenamos parte de ésta para nuestro posterior uso. Esto nos lleva entonces a plantear algunos esquemas que simbolizan el uso de estos aprovechamientos de la energía. Uno de estos casos, en forma de diagramas, es el que se muestra a continuación, que describe en muy buena forma la acción del aprovechamiento de la Energía solar para nuestro uso, según lo hacemos ahora en nuestro medio.
Elementos y Compuestos
Las sustancias puras tienen una composición constante, invariable. Podemos clasificar las sustancias como Elementos o como Compuestos. Elementos son sustancias que no se pueden descomponer en sustancias más simples por medios químicos. Los Compuestos, en cambio, se pueden descomponer por medios químicos en dos o más elementos.
Los elementos son las sustancias fundamentales de los cuales se compone toda la materia. Los elementos son sustancias puras que no pueden ser descompuestas en otras más sencillas mediante cambios químicos. El oxígeno, nitrógeno, plata, aluminio, cobre, oro y azufre son sustancias elementales.
Clasificación de la Materia
Material heterogéneo: Es una mezcla de sustancias en más de una fase o que son físicamente distinguibles. Ejemplo: mezcla de agua y aceite.
Material homogéneo: Constituido por una sola sustancia o por varias que se encuentran en una sola fase. Ejemplo: mezcla de sal y agua.
Solución: Es un material homogéneo constituido por más de una sustancia. Una característica muy importante es la composición, la cual es igual en todas sus partes. Sin embargo, con los mismos componentes es posible preparar muchas otras soluciones con solo variar la proporción de aquellos Ejemplo: las gaseosas.
Sustancia pura: Es un material homogéneo cuya composición química es invariable. Ejemplo:
alcohol (etanol)
Elemento: Sustancia conformada por una sola clase de átomos. Ejemplo: nitrógeno gaseoso (N2), la plata (Ag)
Compuesto: Sustancia conformada por varias clases de átomos. Ejemplo: dióxido de carbono (CO2) La mayor parte de la materia que encontramos, por ejemplo el aire que respiramos (un gas), la gasolina para automóvil (un líquido) o una acera sobre la cual caminamos (un sólido) no son químicamente puros, sino una mezcla de sustancias. Sin embargo, podemos descomponer o separar estas clases de materias en diferentes sustancias puras. Una sustancia pura es materia que tiene
Propiedades de la Materia
Toda sustancia tiene un conjunto único de propiedades características que nos permiten reconocerlas y distinguirlas de otras sustancias. Estas características se pueden agrupar dentro de dos categorías: Físicas y Químicas. Propiedades físicas son las que podemos medir sin cambiar la identidad básica de la sustancia. Incluyen color, olor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, y dureza. Las propiedades químicas describen la forma en que una sustancia puede cambiar o “reaccionar” para formar otras sustancias.
Como sucede con las propiedades de las sustancias, los Cambios que ellas experimentan pueden clasificarse en Físicos y Químicos. Las Cambios Físicos son procesos durante los cuales una sustancia cambia su apariencia física, (estado de agregación), pero no su identidad básica. La evaporación del agua es un cambio físico. En los Cambios Químicos (llamados también reacciones químicas), una sustancia se transforma en otra sustancia químicamente diferente. La combustión de un trozo de papel es un cambio químico.
La naturaleza tridimensional de la materia puede llevar a una propiedad física notable, denominada
“quiralidad” de las sustancias. Las manos izquierda y derecha son virtualmente idénticas en todos los aspectos y sin embargo son muy diferentes. Son imágenes de espejo una de la otra. En forma similar, dos sustancias pueden ser idénticas, excepto que una es “zurda” en tanto que la otra está
“orientada hacia la derecha”. Louis Pasteur (1825-1895), químico y bacteriólogo francés, fue el primero en comprobar que las sustancias pueden existir en versiones orientadas hacia la izquierda y hacia la derecha. El descubrimiento de Pasteur llevó al desarrollo del campo de la Estereoquímica, que es el estudio de la disposición espacial de los átomos en las moléculas.
Al observar la materia nos damos cuenta que existen muchas clases de ella porque la materia tiene propiedades generales y propiedades particulares.
Propiedades generales
Las propiedades generales son aquellas que presentan características iguales para todo tipo de materia. Dentro de las propiedades generales tenemos:
Masa = Es la cantidad de materia que posee un cuerpo.
Peso = Es la fuerza de atracción llamada gravedad que ejerce la tierra sobre la materia para llevarla hacia su centro.
Extensión = Es la propiedad que tienen los cuerpos de ocupar un lugar determinado en el espacio.
Impenetrabilidad = Es la propiedad que dice que dos cuerpos no ocupan el mismo tiempo o el mismo espacio.
Inercia= Es la propiedad que indica que todo cuerpo va a permanecer en estado de reposo o movimiento mientras no exista una fuerza externa que cambie dicho estado de reposo o movimiento.
Porosidad = Es la propiedad que dice que como la materia esta constituida por moléculas entre ellas hay un espacio que se llama poro.
Elasticidad = Es la propiedad que indica que cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza esta se deforma y que al dejar de aplicar dicha fuerza el cuerpo recupera su forma original; lógicamente sin pasar él limite de elasticidad. "limite de influenza "
Divisibilidad = Esta propiedad demuestra que toda la materia se puede dividir.
Propiedades Específicas
Todas las sustancias al formarse como materia presentan unas propiedades que las distinguen de otras y esas propiedades reciben el nombre de especificas y dichas propiedades reciben el nombre de color, olor, sabor, estado de agregación, densidad, punto de ebullición, solubilidad, etc.
El color, olor y sabor demuestra que toda la materia tiene diferentes colores, sabores u olores.
El estado de de agregación indica que la materia se puede presentar en estado sólido, liquido o gaseoso.
La densidad es la que indica que las sustancias tienen diferentes pesos y que por eso no se pueden unir fácilmente.
Estados de la Materia
Solido
Un cuerpo sólido, uno de los cinco estados de agregación de la materia, es caracterizado porque opone resistencia a los cambios de forma y los cambios de volumen.
Manteniendo constante la presión, a baja temperatura los cuerpos se presentan en forma sólida tal que los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente rígidos, incomprensibles, duros y resistentes. Poseen volumen constante y no se difunden, ya que no pueden desplazarse.
Los sólidos presentan propiedades específicas:
• Elasticidad: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un elástico o un resorte son objetos en los que podemos observar esta propiedad.
• Fragilidad: Un sólido puede romperse en muchos pedazos (quebradizo).
• Dureza: Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El diamante es un ejemplo de sólido con dureza elevada.
El sólido más ligero conocido es un material artificial, el aerogel, que tiene una densidad de 1,9 mg/cm³, mientras que el más denso es un metal, el osmio (Os), que tiene una densidad de 22,6 g/cm³. Las moléculas de un sólido tienen una gran cohesión y adoptan formas bien definidas.
Liquido
El líquido es uno de los cinco estados de agregación de la materia, un líquido es un fluido cuyo volumen es constante en condiciones de temperatura y presión constante y su forma es definida por su contenedor. Un líquido ejerce presión en el contenedor con igual magnitud hacia todos los lados.
Si un líquido se encuentra en reposo, la presión que ejerce esta dada por:
P = d g z
Donde d es la densidad del líquido, g la gravedad y z es la distancia del punto debajo de la superficie.
Los líquidos presentan tensión superficial y capilaridad, generalmente se expanden cuando se incrementa su temperatura y se comprimen cuando se enfrían. Los objetos inmersos en algún líquido son sujetos a un fenómeno conocido como flotabilidad.
Las moléculas en el estado líquido ocupan posiciones al azar que varían con el tiempo. Las distancias intermoleculares son constantes dentro de un estrecho margen.
Cuando un líquido sobrepasa su punto de ebullición cambia su estado a gaseoso, y cuando alcanza su punto de congelación cambia a sólido.
Por medio de la destilación fraccionada, una mezcla de líquidos pueden separarse de entre sí al evaporarse cada uno al alcanzar sus respectivos puntos de ebullición. La cohesión entre las moléculas de un líquido no es lo suficientemente fuerte por lo que las moléculas superficiales se pueden evaporar.
Es importante mencionar que el vidrio a temperaturas normales no es un sólido sino un líquido supercongelado.
Líquidos, sustancias en un estado de la materia intermedio entre los estados sólido y gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. En algunos líquidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisotrópicas (propiedades, como el índice de refracción, que varían según la dirección dentro del material). En condiciones apropiadas de temperatura y presión, la mayoría de las sustancias puede existir en estado líquido. A presión atmosférica, sin embargo, algunos sólidos se subliman al calentarse; es decir, pasan directamente del estado sólido al estado gaseoso. La densidad de los líquidos suele ser algo menor que la
densidad de la misma sustancia en estado sólido. Algunas sustancias, como el agua, son más densas en estado líquido.
Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. Este efecto permite a algunos insectos, como los zancudos, desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad, por ejemplo.
La tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gravedad adopte la forma esférica, que es la que tiene menor relación área/volumen.
La capilaridad es la cualidad que posee un tubo delgado para succionar un líquido en contra de la fuerza de gravedad. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son más fuertes que las fuerzas intermoleculares
cohesivas entre el líquido. Esto causa que el menisco tenga una forma cóncava cuando el líquido está en contacto con una superficie vertical. Este es el mismo efecto que causa que materiales porosos absorban líquidos.
Un aparato común usado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar. Cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente en un líquido como el agua, se forma un menisco convexo.
La tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza gravitacional sobreponga a las fuerzas intermoleculares. El peso de la columna líquida es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo, por lo que un tubo angosto succionará el líquido más arriba que un tubo ancho. Por ejemplo, un tubo de vidrio de 0.1 mm de diámetro levantará 30 cm la columna de agua.
Con algunos materiales como el mercurio y el vidrio, las fuerzas interatómicas en el líquido exceden a aquellas entre el líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco cóncavo y la capilaridad trabaja en sentido inverso.
Las plantas usan la capilaridad para succionar agua a sus sistemas, aunque las plantas más grandes requieren la transpiración para mover la cantidad necesaria de agua donde la requieren.
Cuanto más pequeño sea el diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada.
Gaseoso
Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene.
El comportamiento de un gas suele concordar más con el comportamiento ideal cuanto más sencilla sea su fórmula química y cuanto menor sea su reactividad, tendencia a formar enlaces. Así, por ejemplo, los gases nobles o gases raros cumplen con la ley general de los gases.
Para el comportamiento térmico de partículas de la materia existen cuatro cantidades medibles que son de gran interés: presión, volumen, temperatura y masa de la muestra del material.
Cualquier gas se considera como un fluido, porque tiene las propiedades que le permiten comportarse como tal.
Sus moléculas, en continuo movimiento, logran colisionar las paredes que los contiene y casi todo el tiempo ejercen una presión permanente. Como el gas se expande, la energía intermolecular (entre molécula y molécula) hace que un gas, al ir añadiéndole energía calorífica, tienda a aumentar su volumen.
Un gas tiende a ser activo químicamente debido a que su superficie molecular es también grande, es decir entre cada partícula se realiza mayor contacto, haciendo más fácil una o varias reacciones entre las sustancias.
Para el comportamiento de las partículas gaseosa de la materia existen cuatro cantidades medibles que son de gran interés: presión, volumen, temperatura y masa de la muestra del material.
Un gas tiende a ser activo químicamente debido a que su superficie molecular es también grande, es decir entre cada partícula se realiza mayor contacto, haciendo más fácil una o varias reacciones entre las sustancias.
Características de los diferentes estados de la materia
Sólidos Líquidos Gases
Compresibilidad
No se pueden comprimir
No se pueden comprimir
Sí pueden comprimirse
Volumen
No se adaptan al volumen del recipiente
Se adaptan al volumen del
recipiente
Se adaptan al volumen del
recipiente Grados de libertad Vibración Vibración, rotación
Vibración, rotación, traslación Expansibilidad No se expanden No se expanden Sí se expanden Leyes de conservación de la masa y la energía
Primera:
(Ley de Lavoisier)
En una reacción química ordinaria la masa de todos los productos es igual a la masa de las sustancias reaccionantes
Segunda(Ley de la
Termodinámica )
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Tercera :
(Ley de Einstein )
La materia y al energía pueden
transformarse mutuamente, pero la
suma total de la materia y la energía del
universo es constante.
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACION
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4.
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7.
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9.
10.
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13.
14.
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18.
19.
20.
