La química es una ciencia netamente experimental, que se encarga del estudio de los






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MÓDULO 1
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES


CONTENIDO

La química como ciencia, clasificación. Materia y clasificación.- Fenómenos físicos y químicos.- Átomo.-Número atómico.- Numero de masa.- Isótopos.- Isóbaros.- Isoelectrónicos.- Elemento.- Masa atómica.- Compuesto químico.- Masa fórmula.- Masa molecular.- Mol.- Número de Avogadro.- Ejercicios y problemas.- Evaluación.

COMPETENCIAS

Las competencias que se pretende lograr para el presente módulo son los siguientes:

  1. Explicar qué es la materia, sus propiedades, estados físicos y su clasificación.

  2. Comprender la naturaleza discontinua de la materia.

  3. Razonar sobre algunas propiedades estudiadas y su utilidad para la sociedad.

  4. Reconocer la diferencia entre cambio físico y cambio químico.

  5. Diferenciar átomo de molécula y su relación entre ellas.

  6. Caracterizar un elemento químico y diferenciar los tipos de átomos.

  7. Explicar masa atómica, masa fórmula y masa molecular.

  8. Entender el concepto de mol, número de Avogadro y su aplicación.



    1. QUE ES LA QUÍMICA?

Es una ciencia natural experimental que estudia las transformaciones sustanciales de la materia. Abarca así, las propiedades de los cuerpos, el comportamiento de unos con respecto a otros y las leyes que rigen las transformaciones de la materia, igualmente, los diversos factores que afectan estas transformaciones y las energías liberadas o absorbidas en cada uno de ellas.

En términos generales, la química es una ciencia netamente experimental, que se encarga del estudio de los materiales que constituyen el universo, de los cambios que dichos materiales experimentan y la energía involucrada en estos cambios.


    1. CIENCIA

La ciencia (del latín scientiaconocimiento”) es el conocimiento sistematizado, elaborado mediante observaciones, razonamientos y pruebas metódicamente organizadas. La ciencia se vale de diferentes métodos y técnicas para la adquisición y organización de conocimientos (método científico) sobre la estructura de un conjunto de hechos objetivos y accesibles a varios observadores, además de estar basada en un criterio de verdad y una corrección permanente1.

Los pasos fundamentales (método científico) que hay que seguir para llevar a cabo una investigación científica, generalmente son:

a) La detección de un problema, es decir, observación de un hecho que por el momento no tiene explicación o tener una necesidad de tipo práctico. Por otra parte, sin unos conocimientos científicos iniciales, difícilmente se detectan los problemas, por eso se dice que la observación siempre va acompañada de teoría.

b) Planteamiento del problema de forma clara y precisa, sin ningún tipo de ambigüedades y con los objetivos precisos sobre lo que buscamos o tratamos de investigar.

c) Búsqueda de información bibliográfica en torno al problema. Es muy posible que la solución a nuestro problema se encuentre ya en la bibliografía y entonces acabará nuestra investigación; pero en otros casos, o no estará la solución o encontraremos una solución parcial que haga que nos replanteemos muestro problema original.

d) Emisión de hipótesis. Una vez planteado el problema, se procede a darle una explicación. Es la fase más creativa. Se emiten hipótesis que son explicaciones provisionales de lo que pensamos pueda ser la solución a nuestro problema. Estas suposiciones deben hacerse antes de empezar a investigar y por lo tanto, de todas las planteadas nos quedaremos con la que científicamente pueda ser la más probable,  la más verosímil y por supuesto que se pueda demostrar experimentalmente.

e) Diseñar un experimento. Para someter a prueba una hipótesis, el científico diseña un experimento que pueda verificarla o rechazarla.

f) Realizar el experimento. Todo experimento lleva consigo un proceso de medida y por lo tanto una toma de datos. La medición debe ser rigurosa y meticulosa, e incluso repetirla en varias ocasiones para tener la certeza de que minimizamos el error al máximo que permitan los aparatos de medida que utilizamos.

g) Análisis de los resultados. Los resultados obtenidos deben poder confirmar o rechazar la hipótesis planteada. En el primer caso, la idea que constituye la hipótesis se consolida, mientras que en el segundo, habría que adoptar otra hipótesis y volver a iniciar el proceso.

h) Emisión de leyes. El estudio de algún aspecto de la realidad puede revelar ciertas regularidades. De la correlación de los datos obtenidos en los experimentos que han corroborado hipótesis, surgen ecuaciones matemáticas o formulaciones empíricas que nos permiten obtener más datos de la realidad sin tener la necesidad de realizar de nuevo el experimento. Las leyes nos indican cómo ocurren las cosas en la naturaleza y son siempre ciertas puesto que están sacadas directamente de datos experimentales.

i) Emisión de teorías. Una teoría es un conjunto de hipótesis contrastadas que dan una interpretación del porqué ocurren ciertas leyes. Trata de explicar porqué los experimentos producen los resultados observados. Una teoría se acepta como válida siempre que de una interpretación coherente de las leyes conocidas hasta la fecha.

j) Emisión de modelos. Con frecuencia sucede que las hipótesis y las teorías se formulan comparando el fenómeno estudiado con otro semejante pero mucho más sencillo, conocido o intuitivo y que nos permite comprenderlo mejor.


    1. CLASIFICACIÓN DE LA QUÍMICA

A través del tiempo la ciencia química ha ido desarrollándose a pasos agigantados, motivo por lo cual ha sido necesario dividir la ciencia química en áreas específicas para el mejor desarrollo de la misma, algunas de estas áreas son:

  1. QUÍMICA GENERAL.- Cubre la totalidad de la ciencia química, pero está particularmente orientada hacia las teorías básicas de la química.

  2. QUÍMICA ORGÁNICA.- Estudia la materia en cuya estructura se encuentran átomos de carbono.

  3. QUÍMICA INORGÁNICA.- Estudia la materia en cuya estructura no se encuentran átomos de carbono.

  4. QUÍMICA ANALÍTICA.- Consta de dos partes. La primera, el análisis cuantitativo tiene que ver con los componentes (elementos o compuestos) de la materia. La segunda, el análisis cuantitativo tiene que ver con la cantidad exacta de cada componente de la materia.

  5. QUÍMICA INDUSTRIAL.- Diseña y construye los sistemas para la realización a gran escala de procesos químicos.

  6. QUÍMICA FÍSICA o FISICOQUÍMICA.- Estudia las leyes básicas de la química y las hipótesis y teorías utilizadas para explicar los procesos químicos.

  7. QUÍMICA NUCLEAR.- Es la que se ocupa del estudio de las transmutaciones y transformaciones de los núcleos atómicos

  8. BIOQUÍMICA.- Estudia las reacciones química que tiene lugar en sistemas biológicos.




    1. MATERIA

Es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio, es perceptible por nuestros sentidos y tiene masa; ejemplo: plantas, ropa, agua, letreros, semáforos.

La materia está formada por moléculas y/o átomos.

Masa.- La masa es la medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo, sus unidades en el sistema internacional de unidades es el kilogramo. El peso es una medida de la fuerza gravitacional que actúa sobre un cuerpo.


    1. CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA

  1. Cuerpo. Porción limitada de materia, la cual tiene propiedades definidas. Ejemplo: color, sabor, tamaño. Se obtiene por medios mecánicos.

  2. Molécula. Es la mínima porción de materia que mantiene la naturaleza o las propiedades de la materia que le dio origen. Está formado por dos o más átomos unidos químicamente.

  3. Partícula. Es el límite de la división física y química de la materia. Se obtiene por medios físicos cuerpos materiales de muy poca dimensión del orden de 2,5 micrómetros y químicos formado por partículas fundamentales.


Los físicos han identificado 12 partículas elementales como los elementos básicos a partir de los cuales se puede construir todo el universo, incluyendo sistemas tan complejos como los seres vivos.

Las partículas elementales, en general no tienen partes ni se pueden dividir en componentes más sencillos, sin embargo los experimentos de colisiones de partículas a muy altas energías han revelado que algunas partículas que se creían simples en realidad son compuestas (por ejemplo un protón esta hecho de quarks).

Dependiendo del tipo de interacciones que pueden tener, las partículas se clasifican en dos grandes grupos: los quarks y los leptones.

A continuación se presentan algunos detalles característicos de las principales partículas y familias de partículas que se encuentran en la naturaleza:

a) Bariones y mesones.- Estos grupos se forman por combinaciones de tres quarks o por combinaciones de un par quark y anti-quark (anti-quark es la antipartícula del quark), respectivamente.

b) Bosones y fermiones.- Según la propiedad cuántica llamada spin, las partículas se clasifican en Bosones (si tienen spin entero) o fermiones (si tienen spin semi-entero). El electrón es un ejemplo de un fermión.

c) Leptón.- Son partículas muy ligeras que siempre interactúan por medio de la fuerza nuclear débil y si tienen carga también sienten la interacción electromagnética, pero nunca sienten la interacción nuclear fuerte. Ejemplos de los leptones son: el electrón, el muón, el tau y el neutrino. http://bp1.blogger.com/_r2gpjvdx03w/r2glqsp0hti/aaaaaaaaago/vpeho8iyhrk/s200/525px-quark_structure_neutron_svg.png

d) Electrón.- Son partícula con carga eléctrica negativa que dan origen a la electricidad cuando fluyen en un conductor. El electrón pertenece a la familia de los leptones.

e) Neutrón.- No tiene carga eléctrica, está hecho de tres quarks y no es una partícula estable en general. Cuando se encuentra libre, fuera del núcleo, ésta decae en un protón, un positrón y un neutrino. La masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón.


Quark de un neutrón
f) Positrón.- Es la anti-partícula del electrón. Es decir tiene la misma masa del electrón, pero su carga es de signo contrario (+) y cuando se encuentra con el electrón, este par se aniquila convirtiendo toda su masa en energía en forma de radiación (fotones). estructura de quarks de un protón.

g) Protón.- Es una partícula de carga eléctrica igual a la del electrón pero positiva y con una masa 1800 veces mayor a la del electrón. Un protón está formado por tres quarks y se encuentra normalmente dentro de núcleos atómicos. En ambientes de muy alta energía como en el Sol, los protones se encuentran libres.


Quark de un protón
h) Quarks.- Por medio de experimentos de colisiones entre partículas elementales se ha podido determinar que el protón y el neutrón no son partículas simples (sin partes). Por el contrario, dentro del protón hay partes con sus propiedades individuales que se suman para formar las características visibles del protón. Estas partes que forman al protón se llaman quarks.

Los quarks son partículas elementales, que no solamente forman al protón, sino a toda una serie de familias de otras partículas. Combinaciones de tres quarks forman los bariones (como el protón) y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la familia de los mesones. Los quarks sienten la fuerza nuclear fuerte, pero no se encuentran libres en la naturaleza. Siempre están en estados ligados con otros quarks ya sea en un barión o en un mesón. La teoría de los Quarks fue elaborada en 1963 por los físicos Murray Gell-Mann y Yuval Ne'eman. Fue Gell-Mann quien dio el nombre de “quarks” a estas partículas.
Ejemplo 1.

Explique lo que entiende por materia.

Rta.

Es todo lo que posee masa y ocupa un lugar en el espacio.
Ejemenplo 2.

¿Qué diferencia hay entre cuerpo y sustancia?

Rta.

Cuerpo es una porción limitada de materia. Sustancia es lo que tiene en común la materia con iguales propiedades intensivas o especificas.
Ejemplo 3.

Discuta la validez de las siguientes afirmaciones: a) Todo cuerpo es material. b) Cuerpos iguales están constituidos por igual clase de materia. c) Cuerpos diferentes están constituidos por diferente clase de materia. d) La misma clase de materia puede constituir cuerpos iguales o diferentes.

Rta.

a) Correcto, cuerpo es una parte limitada de materia. b) No necesariamente, si los cuerpos son sustancias o mezclas homogéneas, Si; pero si son de mezclas heterogéneas, No. c) No necesariamente, si los cuerpos diferentes son de sustancias diferentes, la composición del cuerpo material para este caso será igual, pero si tratamos mezclas o mezclas y sustancias, la constitución del cuerpo material será diferente. d) Si, ya se explico en la respuesta de la parte a).


    1. ESTADO DE LA MATERIA

Son cuatro los estados de la materia que cada uno de ellos presenta características especiales que lo identifican.

A. ESTADO SOLIDO. Las fuerzas de cohesión son mayores que las fuerzas de repulsión molecular, tienen forma y volumen definido.

B. ESTADO LÍQUIDO. Las fuerzas de cohesión son equivalentes a las fuerzas de repulsión molecular, tienen forma variable y volumen definido.

C. ESTADO GASEOSO. Las fuerzas de cohesión son menores que las fuerzas de repulsión molecular. No tienen forma ni volumen definido. Sus moléculas se encuentran en gran movimiento, son los cuerpos más dilatables y compresibles.

D. ESTADO PLASMÁTICO. Se llama también el cuarto estado de la materia, tiene características de un gas a elevadas temperaturas mayores a 5 000 ºC; se encuentra en las estrellas, en el sol, y en centro de la tierra.
Ejemplo 1.

Se tiene un estado de la materia que se caracteriza por: tiene una forma variable, las fuerzas intermoleculares de atracción y repulsión son semejantes, su volumen es definido. ¿Identifique de qué estado de la materia se trata?

Rta.

Se trata del estado “liquido”, esas son sus características.
Ejemplo 2.

Complete los siguientes enunciados:

a) Estado de agregación en que las fuerzas de atracción entre partículas son muy débiles: _________

b) Estado de agregación con forma indefinida pero con volumen definido: __________

c) Estado de agregación con forma definida: ___________

Rta.

a) Estado gaseoso. b) Estado líquido. c) Estado sólido


    1. SISTEMA COLOIDAL

Un coloide viene a ser un cuerpo que al disgregarse en un líquido aparece como disuelto pero que no lo está, en otras palabras viene a ser el cuerpo o sustancia que no es líquida ni tampoco es sólida, sino que es intermedio, una idea definida de lo que es coloide nos recuerda la clara de huevo, la gelatina.

TIPOS DE SISTEMAS COLOIDALES
Fase Dispersa Medio dispersante Ejemplo
Sólido - Líquido solución azufre en agua

Líquido - Líquido emulsión agua en benceno

Gas - Líquido espuma espuma de cerveza

Sólido - Sólido sol. sólida cristal de rubí

Líquido - Sólido emulsión sólida cuarzo lechoso

Gas - Sólido espuma sólida

Sólida - Gas aerosol sólida humo, polvo

Líquido - Gas aerosol líquido niebla, vapor, nube



    1. PROPIEDADES DE LA MATERIA.

Hay determinadas magnitudes físicas que permiten o no diferenciar unas sustancias de otras y por ello se les llama propiedades de la materia, así tenemos:

A. PROPIEDADES GENERALES. Son características que presentan toda materia.

1. EXTENSIÓN. Propiedad de los cuerpos de ocupar un lugar en el espacio, este lugar ocupado se denomina volumen.

2. IMPENETRABILIDAD. El lugar ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por otro al mismo tiempo.

3. INERCIA. Es la propiedad de los cuerpos que hace que éstos tiendan a conservar su estado de reposo o de movimiento.

4. DILATACIÓN. Es la propiedad de las sustancias de cambiar de tamaño con la temperatura.

5. INDESTRUCTIBILIDAD. La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma – Ley de Lavoisier.

B. PROPIEDADES ESPECIFICAS. Son todas aquellas características particulares de algunos cuerpos.

1. DUREZA. Resistencia de los cuerpos a ser rayados, esta propiedad depende de las fuerzas de cohesión.

2. POROSIDAD. Son los espacios vacíos dentro de los cuerpos, estos pueden ser espacios intermoleculares o interatómicos.

3. DIVISIBILIDAD. La materia puede dividirse cada vez más sin alterarse sus propiedades.

4. COMPRENSIBILIDAD. Capacidad de los cuerpos de disminuir su volumen cuando se les aplica una presión.

  1. PROPIEDADES FÍSICAS. Son características de una sustancia que no se refieren a la composición del material; es decir mediante estas propiedades se describen a la sustancia tal como es, así el agua es un líquido incoloro, que virtualmente no tiene olor ni sabor, tiene un peso específico (p.e) 1.000 a 4ºC; punto de ebullición 100ºC, presión de vapor (100ºC) 760 mmHg.

1. PUNTO DE CONGELACIÓN. Para una sustancia el punto de congelación o punto de fusión es la temperatura en que el sólido y el líquido están en equilibrio.

2. DENSIDAD. Es la masa del volumen uniforme de una sustancia; es decir que 1 cc de agua pesa exacta mente 1,0 g siendo la densidad del agua 1,0 g/cc.
Densidad de algunas sustancias:
Substancia g/cc

Acero 7,83

Agua 1,00

Azúcar 1,59

Fierro 7,90

Hielo 0,92

Oro 19,30
3. GRAVEDAD ESPECIFICA. Es la relación de la densidad de un sólido o un líquido con la densidad del agua, para gases es la relación de la densidad del gas con la densidad del aire.

4. OLOR. Es una propiedad física característica de muchas sustancias.

6. COLOR. Es una característica específica de los cuerpos, así el agua es incoloro, el oro es un amarillo metálico, etc.

  1. PROPIEDADES QUÍMICAS. Son características de una sustancia que está relacionado con la composición de la materia, ésta propiedad define la capacidad de la misma para formar nuevas sustancias. El cambio de una sustancia a otro se llama cambio químico, esta transformación se lleva a cabo mediante una reacción química. Por ejemplo:

La oxidación del Hierro: 2 Fe + O2 > 2FeO

La obtención de la cal viva (CaO): CaCO3 + calor > CO2 + CaO

La obtención de la cal apagada Ca(OH)2 CaO + H2O > Ca(OH)2

1. CORROSIVIDAD DE ÁCIDOS. Es la capacidad de los ácidos de “disolver” (reacción química) otras sustancias generalmente metales.

2. PODER CALORÍFICO O ENERGÍA CALORÍFICA.- Es la cantidad de energía que puede desprender el cuerpo material al producirse una reacción química de oxidación.

3. ACIDEZ.- Es el grado de en el que es acido una sustancia o mezcla liquida. La escala más común para cuantificar la acidez es la escala pH.

4. REACTIVIDAD.- Es la capacidad de reaccionar de un cuerpo frente a otro cuerpo material.
Ejemplo 1.

¿Por qué, si colocamos un objeto en un lugar, no podemos colocar simultáneamente otro en el mismo sitio?

Rta.

Se debe a la propiedad de la “impenetrabilidad”, Cuando un cuerpo ocupa cierto lugar, ese lugar no puede ser ocupado simultáneamente por otro.
Ejemplo 2.

¿Por qué puedo cortar una hoja de papel?

Rta.

Los cuerpos materiales presentan la propiedad de la “tenacidad”, esta es la resistencia que opone los cuerpos materiales a ser roto o partido, la hoja de papel presenta poca tenacidad.


    1. FENÓMENO

Son todas las transformaciones o cambios que experimentan los cuerpos.

  1. FENÓMENO FÍSICO. Se caracteriza por:

    • Cambios pasajeros que sufre la materia.

    • No cambia la naturaleza íntima de la materia.

    • Es reversible.

    • Los cambios de estado son fenómenos físicos.

Por ejemplo: doblar un alambre de cobre.

  1. FENÓMENO QUÍMICO. Se caracteriza por:

  • Cambios permanentes que sufre la materia.

  • Cambia la naturaleza íntima de la materia.

  • Es irreversible.

  • Origina nuevos cuerpos con propiedades diferentes.

Por ejemplo: la combustión del gas metano:
CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O


  1. FENÓMENOS ALOTRÓPICOS.- Es la capacidad que tienen ciertas sustancias de existir en varias formas con distintas propiedades.

Por ejemplo:   el C (grafito) y el C (diamante); el O2 (oxígeno) y el O3 (ozono); el P2 (fosforo blanco) y P4 (fosforo rojo).

D. FENÓMENOS NUCLEARES.- Ocurre cuando los cambios se dan en la estructura interna de los átomos, dando lugar al origen de elementos nuevos, básicamente ocurren dos tipos de fenómenos nucleares:

fisión y fusión nuclear.

La fisión nuclear ocurre cuando un átomo pesado se fragmenta dando origen a elementos más ligeros y se desprende energía además de partículas radioactivas.

Por ejemplo:

La fusión nuclear es el proceso por el que los núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de liberación o absorción de energía.

Por ejemplo:
Ejemplo.

Se enciende un fosforo y se sostiene bajo un trozo de metal frio. Se hacen las siguientes observaciones: a) el fosforo arde; b) el metal se calienta; c) Se condensa agua sobre el metal; d) se deposita hollín (carbono) en el metal. ¿Cuáles de estos sucesos se deben a cambios físicos y cuales a cambios químicos?

Rta.

a) Químico, se produce una reacción química; b) físico, solo se calienta el metal no se transforma; c) físico, solo el agua cambia de estado físico de vapor a liquido; d) químico, el hollín es un producto de la combustión del fosforo.



    1. CAMBIOS DE ESTADO FÍSICO DE LA MATERIA

Un cambio de estado es el paso de un estado de agregación a otro en una sustancia como consecuencia de una modificación de la temperatura (o de presión).
Sublimación

Fusión Vaporización
SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO

Solidificación Licuación (P)

Condensación (T)
Sublimación inversa o Deposición
El cambio de estado de gaseoso a líquido tomará el nombre de licuación si el cambio de estado ha sido debido a la presión, condensación si el cambio se debió a la temperatura.

La vaporización se presenta de tres maneras debido a como se lleva a cabo: evaporación, ebullición y volatilización.


  1. Por Aumento de Temperatura:

a) Sólido a líquido (cera) Fusión

b) Líquido a gaseoso (H2O) Vaporización

c) Sólido a gaseoso (cristales iodo) Sublimación


  1. Por Disminución de Temperatura:

a) Gaseoso a líquido (H2O) Licuación

b) Líquido a sólido (H2O) Solidificación

c) Gaseoso a sólido (iodo) Sublimación


    1. CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

La materia se clasifica en dos grandes grupos: las sustancias y las mezclas.

  1. SUSTANCIA. Cada una de las cuales tiene una composición fija y un único conjunto de propiedades; se clasifica en dos subgrupos: simples y compuestas.

  1. SUSTANCIA SIMPLE.- Es aquella que está formado por un solo tipo de átomos, está representado por los elementos químicos de la tabla periódica. Ejemplo: cobre (Cu), oro (Au), sodio (Na), oxígeno (O).

  2. SUSTANCIA COMPUESTA.- Cuerpo material que está constituido por un solo tipo de moléculas.

Ejemplo: agua (H2O), ácido sulfúrico (H2SO4), dióxido de carbono (CO2), óxido de calcio (CaO), sulfuro de hidrógeno (H2S).

  1. MEZCLA.- Son cuerpos formados por dos o más sustancias simples y/o compuestas en proporciones variadas, en la cual no ocurre transformación de tipo químico, pueden separarse por medios mecánicos y físicos; las sustancias participantes conservan su identidad y propiedades. Se sub agrupan en mezclas: homogéneas o heterogéneas. Ejemplo: infusión de té, agua azucarada, limaduras de hierro más azufre.

        1. MEZCLA HOMOGÉNEA.- Es la mezcla que posee las mismas propiedades en toda su extensión; sus componentes no son visibles a simple vista. Ejemplo: limonada, aire, agua de mar, café.

Soluciones. Es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. La sustancia disuelta se denomina soluto y está presente generalmente en pequeña cantidad en comparación con la sustancia donde se disuelve denominada solvente. Las soluciones poseen una serie de propiedades que las caracterizan:

          1. Su composición química es variable.

          2. Las propiedades químicas de los componentes de una solución no se alteran.

          3. Las propiedades físicas de la solución son diferentes a las del solvente puro: la adición de un soluto a un solvente aumenta su punto de ebullición y disminuye su punto de congelación; la adición de un soluto a un solvente disminuye la presión de vapor de éste.

Ejemplo de soluciones:

SOLUCIÓN

DISOLVENTE

SOLUTO

EJEMPLOS

Gaseosa

Gas

Gas

Aire

Liquida

Liquido

Liquido

Alcohol en agua

Liquida

Liquido

Gas

O2 en H2O

Liquida

Liquido

Sólido

NaCl en H2O
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