INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA GENERAL. Cualquier sistema que

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 1023. En un mol de átomos hay 6.02 x 1023 átomos. En un mol de moléculas hay 6.02 x
1023 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 1023 átomos.
Masa Molar (Peso molecular).
Es la masa de un mol de moléculas o de 6.02 x 1023 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
LA MATERIA: PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN.
Propiedades de la materia.
Propiedades físicas:
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 = mc2), 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/m3; 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 14,5o C a 15,5o
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.