Introducción a la Química

Tema 11: Introducción a la
Química
1- La composición y la estructura de la materia
Formas, colores, texturas, olores… la materia nos muestra una
infinidad de propiedades perceptibles por los sentidos
Materia es todo aquello que tiene masa, ocupa un lugar en el
espacio, es decir, tiene volumen y se puede medir.
Algunas cosas son tan pequeñas que no podemos verlas sin la
ayuda de un microscopio. Otras están tan lejos que
necesitamos un telescopio para poder observarlas. Incluso
existen cosas que no podemos percibir pero cuya existencia
podemos deducir por los efectos que producen, como los
planetas lejanos o los agujeros negros. Pero no por eso dejan
de estar constituidas por materia
2- Historia de la Química
La naturaleza de la materia ha sido uno de los ejes del pensamiento
desde la Antigüedad, primero filosófico y luego científico.
En el año 400 a.C, el filósofo griego Demócrito
de Abdera propuso la idea de que la materia
está formada por partículas pequeñísimas que
se combinan entre sí.
A estas partículas las llamó Átomos (en griego,
indivisibles)
Pero las ideas de Demócrito sobre la existencia de
los átomos no fueron aceptadas, y quedaron
descartadas a favor de la teoría de los cuatro
elementos aceptada por Aristóteles.
Entre los siglos III a.C. y el siglo XVI d.C la química estaba dominada por
la alquimia. El objetivo de investigación más conocido de la alquimia era la
búsqueda de la piedra filosofal.
Durante siglos, los alquimistas intentaron encontrar, evidentemente en vano,
una sustancia, la piedra filosofal, que transformaba las sustancias que
tocaba en oro, y a la que atribuían propiedades maravillosas y mágicas.
En la investigación alquímica se desarrollaron nuevos productos químicos y
métodos para la separación de elementos químicos. De este modo se
fueron asentando los pilares básicos para el desarrollo de una futura
química experimental.
La química como tal comienza a desarrollarse entre los siglos XVI y XVII. En
esta época se estudió el comportamiento y propiedades de los gases
estableciéndose técnicas de medición.
A partir del siglo XVIII la química adquiere
definitivamente las características de una
ciencia experimental. Se desarrollan
métodos de medición cuidadosos que
permiten un mejor conocimiento de algunos
fenómenos, como el de la combustión de la
materia, descubriendo Lavoisier el oxígeno y
sentando finalmente los pilares
fundamentales de la química moderna.
La Química, es la ciencia que se encarga del estudio de la
composición, estructura y propiedades de las sustancias materiales,
de sus interacciones y de los efectos producidos sobre ellas al
añadir o extraer energía en cualquiera de sus formas.
Historia de la Química y la Alquimia
3-Estructura de la materia
En la actualidad se sabe con certeza que la materia está formada por
Átomos.
Un átomo es la parte más pequeña de un elemento químico que sigue
manteniendo sus propiedades.
Los átomos no son indivisibles sino
que están constituidos por tres
tipos de partículas:
-Protones: Partículas positivas que
se encuentran en el núcleo atómico
-Neutrones: Partículas sin carga
que se encuentran en el núcleo
atómico.
-Electrones: Partículas negativas
que giran alrededor del núcleo en
una zona denominada corteza.
En la actualidad sabemos que si bien los electrones son partículas
elementales (no se pueden dividir en otras más pequeñas), los protones
y los neutrones no lo son. En la actualidad se han descubierto 12
partículas elementales y cuatro interacciones básicas entre ellas.
4- Clasificación de la Materia
La materia se puede encontrar en la naturaleza en forma de sustancias puras
y de mezclas
4.1 Sustancias Puras
Las sustancias puras son aquéllas cuya naturaleza y composición no varían
sea cual sea su estado. Están formadas por un único tipo de componentes
Son sustancias puras el agua mineral, el hierro, la plata, el uranio, el ácido
sulfúrico, etc.
Se dividen en dos grandes grupos:
Elementos
Todos sus átomos son iguales
(Fe, Na, C, Cl, F, P….)
y
Compuestos
Formados por átomos diferentes
(CO2, CH4, C4H8…..)
Elementos: Son sustancias puras que no pueden descomponerse en otras
sustancias puras más sencillas por ningún procedimiento químico sencillo.
Ejemplo: Todos los elementos de la tabla periódica: Oxígeno, hierro,
carbono, sodio, cloro, cobre, etc. Se representan mediante su símbolo
químico y se conocen 116 en la actualidad.
Los elementos están formados por átomos iguales
Por ejemplo: Hierro (Fe), Oxígeno (O2); Carbono (C); Nitrógeno (N2)…..
Los elementos situados a la derecha de la “escalera” son No Metales y los
que están situados a la izquierda son Metales
Los elementos de la vida Todos los seres vivos están constituidos
por los mismos elementos químicos. De todos los elementos que se
hallan en la corteza terrestre, sólo unos 25 son componentes de los
seres vivos . Esto confirma la idea de que la vida se ha desarrollado
sobre unos elementos concretos que poseen unas propiedades físicoquímicas idóneas para los procesos químicos que se desarrollan en
los seres vivos.
Se denominan bioelementos a aquellos elementos químicos que forman
parte de los seres vivos. Atendiendo a su abundancia (no importancia) se
pueden agrupar en tres categorías:
Bioelementos primarios o principales: C, H, O, N
Son los elementos mayoritarios de la materia viva, constituyen el 95% de
la masa total.
Bioelementos secundarios S, P, Mg, Ca, Na, K, Cl
Los encontramos formando parte de todos los seres vivos, y en una
proporción del 4,5%.
La Tabla Periódica
-Compuestos: Son sustancias puras que están constituidas por 2 ó
más elementos combinados en proporciones fijas. Los compuestos se
pueden descomponer mediante procedimientos químicos en los
elementos que los constituyen.
Ejemplo: Agua, de fórmula H2O, está constituida por los elementos
hidrógeno (H) y oxígeno (O) y se puede descomponer en ellos
mediante la acción de una corriente eléctrica (electrólisis).
Los compuestos se representan mediante fórmulas químicas en las
que se especifican los elementos que forman el compuesto y el
número de átomos de cada uno de ellos que compone la molécula.
Ejemplo: En el agua hay 2 átomos del elemento hidrógeno y 1 átomo
del elemento oxígeno formando la molécula H2O.
Los compuestos están formados por más de un tipo de átomos
Molécula de etano (C2H6), formada por 2 átomos de
carbono (negros) y 6 átomos de hidrógeno (azul)
Molécula de butano (C4H10), formada por 4 átomos
de carbono (negros) y 10 átomos de hidrógeno
(blancos)
Molécula de agua (H2O), formada por 2 átomos de
hidrógeno (blancos) y 1 átomo de oxígeno (rojo)
Cuando una sustancia pura está formada por un solo tipo de elemento,
se dice que es una sustancia simple. Esto ocurre cuando la molécula
contiene varios átomos pero todos son del mismo elemento. Ejemplo:
Oxígeno gaseoso (O2), ozono (O3), etc. Están constituidas sus
moléculas por varios átomos del elemento oxígeno.
4.2 Mezclas
Las mezclas se encuentran formadas por 2 ó más sustancias puras. Su
composición es variable. Se distinguen dos grandes grupos: Mezclas
homogéneas y Mezclas heterogéneas.
Mezclas homogéneas: También llamadas Disoluciones.
Son mezclas en las que no se pueden distinguir sus componentes a
simple vista.
Ejemplo: Disolución de sal en agua, el aire, una aleación de oro y cobre,
etc.
Mezclas heterogéneas: Son mezclas en las que se pueden distinguir a los
componentes a simple vista. Ejemplo: Agua con aceite, granito, arena en
agua, etc.
5- Nomenclatura Química
Existen miles de compuestos químicos diferentes. Es importante por lo
tanto establecer una serie de reglas para poder nombrarlos.
Los químicos nunca se han puesto de acuerdo y existen tres formas
distintas de nombrar. En este curso veremos únicamente una de ellas:
Formulación Sistemática. Pero antes de ello vamos a ver y aprender los
nombres y símbolos de los elementos químicos más importantes:
Elemento
Símbolo
Elemento
Símbolo
Hidrógeno
H
Hierro
Fe
Oxígeno
O
Magnesio
Mg
Carbono
C
Aluminio
Al
Nitrógeno
N
Azufre
S
Calcio
Ca
Níquel
Ni
Cloro
Cl
Flúor
F
Fósforo
P
Bromo
Br
Silicio
Si
Cobalto
Co
Plomo
Pb
Litio
Li
Sodio
Na
Plata
Ag
Nomenclatura Sistemática:
Mediante prefijos indicamos el número de átomos que hay de cada
elemento químico.
Prefijo
Mono
Di
Tri
Tetra
Penta
Hexa
Hepta
Átomos
1
2
3
4
5
6
7
A continuación veremos algunos de los compuestos más importantes
5.1 Óxidos
Son combinaciones de un metal o un no metal con Oxígeno. El Oxígeno se
escribe siempre al final y se nombra al principio.
Por ejemplo:
Al2O3: Trióxido de Dialumimio
CO2: Dióxido de Carbono
Fe2O3: Trióxido de Dihierro
P2O5: Pentaóxido de Difósforo
Cl2O7: Eptaóxido de dicloro
SO3: Trióxido de Azufre
5.2 Hidruros
Son combinaciones de un elemento químico con Hidrógeno. En los hidruros
el hidrógeno se escribe siempre al final.
Ejemplos:
CaH2: Dihidruro de Calcio
AlH3: Trihidruro de Aluminio
FeH2: Dihidruro de Hierro
CoH3: Trihidruro de Cobalto
5.3 Sales
Son combinaciones de un metal y un no metal, se nombran con la
terminación –uro en el nombre del no metal.
Ejemplos:
NaCl: Cloruro de Sodio
CaBr2: Dibromuro de Calcio
MgS: Sulfuro de Magnesio
AlF3: Trifluoruro de Aluminio
6- Cambios físicos y químicos
Vivimos rodeados de cambios. Desde siempre, la Ciencia
estudia los cambios. Pero, ¿son todos los cambios de la
misma naturaleza?
Sin duda, nuestra propia percepción nos indica que no.
Algunos cambios apenas alteran la naturaleza de las
cosas, mientras que otros modifican ampliamente la
naturaleza de las mismas.
Desde el punto de vista científico, podemos distinguir
entre cambios Físicos y Químicos.
6.1 Cambios Físicos
Se consideran cambios físicos aquellos que no alteran la naturaleza
de las sustancias implicadas
- Calentamiento
- Deformación
- Movimiento
Los cambios de estado son un
ejemplo de cambios físicos, la
sustancia modifica algunas
propiedades pero sigue siendo la
misma sustancia.
6.2 Cambios químicos o reacciones químicas
En los cambios químicos sí se alteran la naturaleza de las
sustancias: desaparecen unas y aparecen otras con propiedades
muy distintas. No es posible volver atrás por un procedimiento
físico (como calentamiento o enfriamiento, filtrado, evaporación,
etc.)
Una reacción química es un proceso por el cual una o más
sustancias, llamadas reactivos, se transforman en otra u otras
sustancias con propiedades diferentes, llamadas productos.
En una reacción química, los enlaces entre los átomos que
forman los reactivos se rompen. Entonces, los átomos se
reorganizan de otro modo, formando nuevos enlaces y dando lugar
a una o más sustancias diferentes a las iniciales.
Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas.
Por ejemplo el hidrógeno (H2) puede reaccionar con oxígeno (O2) para dar
agua (H20). La ecuación química para esta reacción se escribe:
El estado físico de los reactivos y productos puede indicarse mediante los
símbolos (g), (l) y (s), para indicar los estados gaseoso, líquido y sólido,
respectivamente y se suele usar (ac) para indicar que una sustancia se
encuentra en disolución acuosa.
Por ejemplo:
2 CO(g) + O2(g)  2 CO2(g)
2 HgO(s)  2 Hg(l) + O2(g)
2 HCl(ac) + Zn(s)  ZnCl2(ac) + H2(g)
Conservación de la masa
La primera ley básica de la química es la Ley de la Conservación de
la masa. Su formulación se debe al francés Lavoisier (17431794). Mediante el uso sistemático de la balanza comprobó:
Masa total antes de una reacción (reactivos) = Masa total después de la
reacción (productos)
Lavoisier realizó sus experimentos teniendo sumo cuidado de
contar con los reactivos y productos gaseosos.
A modo de ejemplo, observa que el óxido que se obtiene a partir
de cierta cantidad de hierro, pesa más que el hierro debido a la
incorporación del oxígeno.
Ajuste de reacciones
Durante una reacción los átomos se reagrupan pero el número de átomos antes
y después de la reacción es el mismo, por ello al escribir la reacción hay que
ajustarla, de modo que se cumpla que el número de átomos de cada elemento
sea el mismo en los reactivos que en los productos.
Para ajustar reacciones utilizamos unos números llamados coeficientes
Esos coeficientes nos indican que DOS moléculas de hidrógeno reaccionan con
UNA de oxígeno para obtener DOS moléculas de agua.
La siguiente reacción está sin ajustar, en la zona de los reactivos tenemos
cuatro átomos de C y en los productos solo uno:
Para ajustarla tenemos que buscar los coeficientes que logran que el
número de átomos de cada elemento sea igual en los reactivos que en
los productos:
En la siguiente imagen puedes visualizar una reacción ajustada:
Observa que en reactivos y productos hay el mismo número de átomos
de cada elemento.
En las reacciones químicas se rompen enlaces entre unos átomos y se
forman otros diferentes, eso supondrá un cambio de energía, por eso
en todo cambio químico se desprende o se absorbe energía.
7- Química y Sociedad
En nuestra vida cotidiana presenciamos una serie de cambios y procesos
que nos demuestran la importancia de la química. Materiales como la
crema dental, los jabones han sido elaborados mediante procesos
químicos. La comida que ingerimos ha sido elaborada por cambios que se
continúan a través de nuestro organismo. La tinta del bolígrafo es
producto de un proceso especial de elaboración. El forro de los libros, las
pinturas, la tiza, los abonos, los fertilizantes, entre otros, son materiales
indispensables para la humanidad en esta época de avances notables y
constantes. Para obtener todos estos materiales, el hombre tuvo que
realizar muchas investigaciones.
El químico se preocupa por descubrir las propiedades características que
le permitan hallar la diferencia entre unas sustancias y otras; separar los
componentes que forman los cuerpos; investigar procesos de
transformación de las sustancias con el fin de obtener materiales más
útiles al hombre; hallar la estructura de la materia con lo cual puede
explicarse su comportamiento y propiedades.
7.1 El Petróleo como combustible
El petróleo es principalmente una mezcla de Hidrocarburos.
Los hidrocarburos son sustancias que solo contienen carbono e hidrógeno y
almacenan una importante cantidad de energía química.
La energía de los hidrocarburos se obtiene por combustión:
Hidrocarburo + O2  CO2 + H2O
+
Energía (calor)
7.2 Los Medicamentos
Los medicamentos suelen ser mezclas de varias sustancias. Se llama
"principio activo" a la sustancia que actúa sobre el organismo y constituye
el medicamento propiamente dicho. Junto con los principios activos están
otras sustancias que se utilizan para aumentar el volumen, o mejorar el
sabor o el aspecto, estas sustancias se denominan "excipientes"
La dosificación de un medicamento recibe el nombre de "posología."
Para obtener el mejor rendimiento de los medicamentos hay que utilizar
unas cantidades óptimas que suelen ser función del peso o la edad del
paciente. Dosis mayores pueden ser perjudiciales y a veces peligrosas.
Las sustancias de los medicamentos son beneficiosas, al menos en
ciertas ocasiones, para alguna parte del organismo, pero a la vez pueden
ser perjudiciales para otras. Estas consecuencias perjudiciales de los
medicamentos se llaman "Efectos secundarios"
Grupos de medicamentos con su función y algún ejemplo
Analgésicos
Alivian el dolor
Aspirina y paracetamol
Antipiréticos
Bajan la fiebre
Paracetamol
Antibióticos
Impiden el desarrollo de
microorganismos (bacterias..)
Penicilina y amoxicilina
Hormonas
Cortisona: Se emplea para tratar distintos procesos
inflamatorios ( Ej. artritis)
Insulina: Se suministra a los pacientes con diabetes.
Vitaminas
Son sustancias imprescindibles para el buen funcionamiento
del organismo. Pueden ser solubles en grasas (Liposolubles)
o solubles en agua (Hidrosolubles)
Liposolubles: A D E y K
Hidrosolubles: B y C
Mucolíticos
Destruyen o disuelven
mucosidades
Fluidasa (Erdosteina)
Anestesia
Duerme, adormece o deja
insensible parte del cuerpo
Éter, cloroformo...
Antihistamínico
Disminuye los síntomas de la
alergia
Clorfenamina
7.3 Contaminación del aire
El ozono, un filtro eficaz
La capa de ozono es un verdadero filtro de las peligrosas radiaciones
ultravioletas que emite el sol. Está compuesta por ozono, un gas cuyas
moléculas contienen tres átomos de oxígeno (O3).
Si esta delgada capa de nuestra estratosfera desapareciera o se
deteriorara, las consecuencias para los seres vivos serían catastróficas. En
primer lugar, quedaría destruido el fitoplancton, con la consecuente
alteración de la cadena trófica en los océanos, que pondría en peligro a todos
los organismos marinos. En el hombre, las radiaciones provocarían serios
daños, entre ellos el incremento de los casos de cáncer de piel, el
debilitamiento del sistema inmunológico y numerosos trastornos de la visión.
En 1974 se descubrió que los clorofluorocarbonos (CFC) eran los principales
responsables del adelgazamiento de la capa de este gas, que llega a rasgarse
en lo que se ha llamado agujero de ozono. Los CFC son gases que la industria
emplea en gran cantidad; por ejemplo, en los equipos de refrigeración y como
medio de propulsión de los aerosoles.
Efecto Invernadero
El efecto invernadero es en principio
un fenómeno natural, normal e
imprescindible para el desarrollo de la
vida. Su existencia hace posible que en
la Tierra reinen temperaturas
adecuadas para la supervivencia de los
organismos vivos. Pero este hecho
natural puede convertirse en
pernicioso, si es exacerbado por la
actividad del hombre.
Funciona como los cristales de un
invernadero de jardín. En esas
construcciones, las radiaciones solares
penetran a través de los vidrios y
generan calor en el interior; pero el
calor no sale con facilidad, por lo que
la temperatura del invernadero es
notablemente más alta que la exterior.
La atmósfera refleja, es decir rechaza, parte de las radiaciones solares;
otra parte es absorbida por la propia atmósfera y, en última instancia, por
la superficie terrestre, que también emite una parte en forma de
radiaciones infrarrojas. Cuando en la alta atmósfera existen unos gases
determinados, esas radiaciones infrarrojas no salen al espacio exterior, sino
que son retenidas.
Ello produciría calor y generaría un calentamiento global de la Tierra.
Las consecuencias del efecto invernadero son la desestabilización del clima
en el planeta y la fusión de parte del hielo hasta ahora inmovilizado en los
casquetes polares. Los cambios climáticos ya pueden ser percibidos, en
forma de huracanes, olas de calor y sequías. Pero lo más importante es que
el deshielo generalizado de las regiones polares implicaría un aumento del
nivel de los océanos, con el consiguiente anegamiento de las costas bajas de
los continentes.
Gases causantes del efecto invernadero:
CO2, CH4 (metano), N2O (Óxido de dinitrógeno), CFCs (Clorofluorocarbonos)
La Lluvia Ácida
Las centrales termoeléctricas y los
grandes complejos industriales emiten
óxidos de azufre y de nitrógeno, que
reaccionan con el vapor de agua
presente en el aire y forman los
ácidos sulfúrico y nítrico. La lluvia
ácida es el resultado de esas
reacciones químicas; consiste en agua
de lluvia muy contaminada, que no
necesariamente se precipita sobre los
mismos lugares donde se originó.
La acidificación del suelo perjudica los bosques y los cultivos: el agua ácida
arrastra del suelo sales minerales de potasio, calcio y magnesio, necesarias
para el crecimiento de las plantas.
En el hombre, este fenómeno es causa de distintas afecciones en el aparato
respiratorio. En las ciudades la lluvia ácida provoca corrosión de edificios y
monumentos. También disuelve metales tóxicos, como el plomo, de las tuberías
que transportan el agua potable.
El continente más castigado por la lluvia ácida es Europa, que ya tiene
severamente dañados sus principales bosques.