INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA GENERAL. Cualquier sistema que nos propongamos estudiar estará formado por materia y energía. Conocer la estructura de la materia es uno de los dos intereses principales de la química (el otro es conocer como esta materia puede transformarse). Hoy sabemos que la materia, esto es, todas las sustancias que podemos encontrar en el Universo, está constituida por átomos. Ahora bien cuál es la estructura de estas unidades de materia? Son estas partículas indivisibles o están constituidas por entidades más pequeñas? El conocimiento de estos aspectos de la estructura del átomo se hace imprescindible ya que son el fundamento del comportamiento químico de todos los sistemas. Definición de Química. La Química es una ciencia que estudia las propiedades, la composición, la estructura y los cambios que experimenta la materia. Se analizarán algunos aspectos comprendidos en la definición de Química: - Materia: es todo aquello que ocupa un espacio y de tiene determinada masa. - Propiedades: es el conjunto de características de un cuerpo que pueden servirnos para definirlo y diferenciarlo. Entre éstas distinguimos unas físicas y otras químicas. -Composición: es la distinción de elementos, compuestos, radicales, etc., que componen una mezcla, ya sea de modo cualitativo como cuantitativo. - Estructura: estudia la distribución en el espacio de los átomos que componen las distintas materias. - Cambio: se refiere a la obtención de nuevas sustancias a partir de materias primas iniciales. Método Científico El método de la ciencia es un camino de doble dirección: el inductivo, que partiendo de los hechos individuales y concretos, nos conducen hasta leyes generales que los interpretarán y el deductivo que desde los principios generales nos llevará a explicar cada caso particular. El método científico es un enfoque general a los problemas que implica hacer observaciones, buscar patrones en las observaciones, formular hipótesis para explicar las observaciones y probar esas hipótesis con experimentos adicionales. Las hipótesis que resisten tales pruebas y demuestran su utilidad para explicar y predecir un comportamiento, reciben el nombre de teorías. Por qué estudiar Química? La Química permite obtener un conocimiento importante de nuestro mundo y su funcionamiento. De hecho, la Química está en el centro de muchas cuestiones que preocupan a casi todo el mundo: el mejoramiento de la atención médica, la conservación de los recursos naturales, la protección del ambiente, la satisfacción de nuestras necesidades diarias en cuanto a alimentos, vestido y albergue.
Empleando la Química se han descubierto sustancias farmacéuticas que fortalece nuestra salud y prolongan nuestra vida. Desgraciadamente, algunos productos químicos tienen el potencial de dañar nuestra salud o el ambiente. Al estudiar Química, aprenderán a usar el lenguaje y las ideas que han evolucionado para describir y entender la materia. El Mol. Es un número que indica cantidad de átomos, moléculas, iones, etc. Este número es 6.02 x 10 23. En un mol de átomos hay 6.02 x 10 23 átomos. En un mol de moléculas hay 6.02 x 10 23 moléculas. Masa atómica (Peso atómico). Es la masa promedio de los átomos de un elemento, tomando como unidad de masa la duodécima parte de la masa del átomo de carbono-12. Este número se encuentra en la Tabla Periódica de los Elementos. La masa atómica es la masa de un mol de átomos o de 6.02 x 10 23 átomos. Masa Molar (Peso molecular). Es la masa de un mol de moléculas o de 6.02 x 10 23 moléculas. Para obtener la masa molecular se deben sumar las masas atómicas de los elementos que forman la molécula. Por ejemplo: el peso molecular del agua es: (2 x peso atómico del H) + (1 x peso atómico del O) = 18 u.m.a Propiedades de la materia. Propiedades físicas: LA MATERIA: PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN. Pueden ser observadas y medidas sin que varíe, por ello, la naturaleza de la sustancia. Por ejemplo, son propiedades físicas de la materia, la densidad, el color, la dureza, la conductividad térmica o eléctrica, la maleabilidad, la ductilidad, el punto de ebullición o de fusión, la capacidad calorífica, la viscosidad, etc. Ciertas propiedades físicas dependen de la masa del cuerpo, como, por ejemplo, el volumen, peso, calor absorbido, etc. por tal razón se las denominan propiedades físicas extensivas. Por ejemplo, cuanto más masa de sustancia se tenga, tanto más grande es el valor del volumen. Las que no dependen de la masa son llamadas propiedades físicas intensivas. Por ejemplo, la densidad, temperatura, magnetización, presión, índice de refracción, etc. Propiedades químicas: Estas describen qué nuevas sustancias se pueden originar a partir de la primitiva y de otras ya conocidas. Por ejemplo, son propiedades químicas, la reactividad de los ácidos, la reactividad del sodio con el agua, etc. Otro concepto asociado a la materia es el de energía. Aunque la energía no se pueda ver ni tocar apreciamos y sentimos sus efectos.
La energía se presenta de diversas formas: energía potencial, energía cinética, energía eléctrica, energía potencial elástica, energía de radiación, energía ondulatoria, energía eólica, energía calórica, energía química, energía nuclear. La característica más relevante que presenta la energía es su facilidad para cambiar de una forma a otra. De acuerdo con la teoría de Einstein, la masa es una de las manifestaciones de la energía (E = mc 2 ), es decir, la energía y la materia son dos formas de una misma cosa. Esta conclusión ha permitido enunciar la siguiente ley: La materia y la energía no pueden ser creadas ni destruidas, pero pueden ser cambiadas de una forma a otra De ella se desprende que es la suma global de ambas, masa y energía, lo que permanece invariable en un sistema. Densidad La densidad propiamente dicha es la densidad de masa, pero el término densidad también se puede emplear en un sentido más amplio. Generalmente, empleamos la definición más simple de densidad: Cantidad de masa por unidad de volumen. Su expresión matemática es D = m/v; g/ml; kg/m 3 ; etc. Clasificación de la materia a) Sustancias que no son susceptibles de ser reducidas a materiales más simples ni por medios físicos o químicos ordinarios. A estas materias las llamaremos elementos químicos b) Sustancias resultantes de la combinación de dos o más elementos diferentes. A estos los llamaremos compuestos químicos. Estas sustancias pueden ser separadas por procedimientos químicos o físicos. Los compuestos se diferencian de las mezclas porque la composición ponderal de los primeros es siempre constante. Los elementos y compuestos son sustancias puras, ya que su composición y sus propiedades son uniformes en toda la extensión de la muestra. Existen muchas otras combinaciones de elementos o compuestos que presentan una composición uniforme y propiedades constantes, pero que no son sustancias puras: a estas combinaciones las denominamos mezclas homogéneas o soluciones. Como ejemplo tenemos: el agua azucarada, la mezcla de agua y alcohol, las bebidas gaseosas, etc. A aquellas mezclas que presentan más de una fase se denominan mezclas heterogéneas ejemplo: el mármol, un trozo de concreto, etc. Los estados de la materia dependen de Factores del ambiente como presión y temperatura.
Estados de la materia en relación a cambios de la temperatura del ambiente Los diferentes estados de la materia se caracterizan por la energía cinética de las moléculas y los espacios existentes entre estas. Estados de la materia en relación a cambios de la energía cinética de las moléculas Cada uno de los estados le confiere a la materia características propias, a pesar de no cambiar su composición. La figura siguiente complementa los conceptos aquí formulados, obsérvelo haciendo énfasis en las relaciones y diferentes vías existentes:
Principales Características de los estados de la materia SÓLIDOS LÍQUIDOS GASES Poseen forma definida. No poseen forma definida, por lo tanto adoptan la forma del recipiente que los contiene. No poseen forma definida, por lo tanto adoptan la forma del recipiente que los contiene. Poseen volumen fijo. Poseen volumen fijo. Poseen volumen variable. Baja compresibilidad. Compresión limitada. Alta Compresibilidad. Energía El movimiento de los constituyentes de la materia, los cambios químicos y físicos y la formación de nuevas sustancias se originan gracias a cambios en la energía del sistema; conceptualmente, la energía es la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potencial o cinética. La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento. Manifestaciones de la energía Energía Mecánica: El movimiento de las hélices por medio del viento es transferido a un sistema mecánico, para producir energía eléctrica.
Energía Calórica o radiante: El calor o la luz emitida desde el sol es aprovechada por las plantas para producir energía química en forma de carbohidratos o por celdas solares para producir electricidad. Energía Eléctrica: El movimiento de electrones libres, produce la energía eléctrica, usada para hacer funcionar aparatos electrodomésticos y artefactos industriales. Energía Química: La combustión de hidrocarburos como el petróleo, liberan gran cantidad de energía.
Formas de medición de la energía Poseer un referente de la cantidad de energía que se intercambia en las diferentes interacciones de la materia requiere de patrones de medición. Como la forma de energía que tiene mayor expresión es la energía calórica, entendida ésta como la energía que se intercambia entre dos sustancias cuando existe diferencias de temperatura entre ambas, trataremos las unidades de medida de esta. La cantidad de energía cedida o ganada por una sustancia se mide en calorías o joules. Una caloría (cal) es igual a la cantidad de calor necesario para elevar de 14,5 o C a 15,5 o C 1 gramo de agua. Como factor de conversión diremos que una caloría equivale a 4,184 joules. 1 cal = 4,184 J Es necesario diferenciar la caloría utilizada como herramienta de medición de la energía calórica en química, de la caloría utilizada en nutrición, ya que la caloría contenida en los alimentos (Cal) o gran caloría, equivale a 1.000 calorías o 1 Kilocaloría (Kcal). 2 cucharadas de azúcar ( 10 g), contienen 37,5 Cal nutricionales, lo que equivale a 37,5 Kcal, 37.500 cal químicas y 156.900 j. Calor especifico Has sentido que unas sustancias se calientan con mayor rapidez que otras?, el calor especifico se relaciona con ello; conceptualmente, el calor específico es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de una sustancia determinada; desde el punto de vista químico, es la cantidad de calorías requeridas para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de una sustancia, o es el número de joules requeridos para elevar en un grado kelvin la temperatura de un kg de una sustancia.
Calor Específico del agua: 1 cal/g o C Este valor significa que para elevar 1 grado centígrado la temperatura de 1 g de agua, se requiere 1 caloría. Calor Especifico del Aluminio: 0,217 cal/g o C Este valor significa que para elevar 1 grado centígrado la temperatura de 1 g de Aluminio se requieren 0,217 calorías. Valores comparativos del calor especifico del agua en estado líquido y el aluminio en estado sólido. Ley de la conservación de Masa-Energía Para concluir este tema, abordemos una pregunta: en el momento de ocurrir un cambio físico o químico (reacción química) en una sustancia, existe pérdida de masa y/o energía? Antoine Laurent Lavoiser (743-1749) y James Prescott Joule (1818-1889), dedicaron parte de su trabajo científico en la solución de este problema, llegando a la conclusión de que en las reacciones químicas y en los cambios físicos las masas de las sustancias participantes no se crean ni destruyen, solo se transforman; esta conclusión se conoce con el nombre de Ley de la conservación de la masa.
Ejemplo de la ley de la conservación de la materia: formación del ácido clorhídrico, mediante la reacción del Hidrógeno con el Cloro. Reacción química: 4.032 g de Hidrógeno gaseoso, reaccionan con 141.812 g de cloro gaseoso, para formar 145.844 g de ácido clorhídrico. La suma de los reactivos es igual a la suma de los productos. La masa de los reactivos no se destruyó, estos se combinaron y se transformaron en una nueva sustancia.