Introducción a la Química

La química surgió en el siglo VI a.C. con la alquimia, un sistema especulativo que buscaba transformar metales en oro y descubrir la piedra filosofal. Aunque estos objetivos hoy parecen imposibles, los alquimistas establecieron métodos que todavía usamos en laboratorios actuales.

Los antiguos egipcios ya demostraban gran conocimiento de la materia con técnicas como el embalsamamiento de cuerpos, la preparación de jabón, tinturas y vidrios. Gradualmente, la alquimia se fue separando de la magia y evolucionando hacia la ciencia.

💡 Robert Boyle (1627-1691) fue el primer científico que reconoció la importancia de realizar mediciones precisas en el estudio de la materia y sus transformaciones.

El estudio científico de la materia fue marcando un cambio para superar la teoría de Aristóteles, quien proponía que el mundo material estaba compuesto por cuatro elementos básicos: aire, agua, fuego y tierra. Hoy entendemos la química como la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que en ella ocurren.

El Método Científico

Los químicos, como todos los científicos, siguen un proceso estructurado llamado método científico para investigar la naturaleza. Este método incluye varios pasos fundamentales:

1. Observación y planteo del problema: Se identifica un fenómeno o una pregunta por responder.
2. Recopilación de información: Se reúne información disponible sobre el tema.
3. Formulación de hipótesis: Se elabora una posible respuesta o explicación.
4. Experimentación: Se diseñan y realizan experimentos para comprobar la hipótesis.
5. Análisis de datos: Se ordenan y analizan los resultados obtenidos.
6. Conclusiones: Se valida o refuta la hipótesis planteada.

Durante la experimentación es crucial identificar las variables:

• Variables controladas: Factores que no cambian durante el experimento.
• Variable dependiente: El factor que se observa y mide como resultado.
• Variable independiente: El factor que el investigador modifica intencionalmente.

🔍 Recuerda: Una hipótesis confirmada no es una "verdad absoluta", sino una explicación aceptada que siempre puede someterse a nuevas pruebas.

Cuando varias hipótesis confirmadas se relacionan de forma ordenada, pueden dar lugar a leyes o teorías científicas que explican fenómenos naturales de manera más amplia.

La Materia y sus Propiedades

La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio. Los objetos materiales que nos rodean se llaman cuerpos, y aunque existen infinidad de ellos, todos comparten características comunes:

• Tienen masa: al colocarlos en una balanza, la desequilibran.
• Son impenetrables: dos cuerpos no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo.
• Ocupan un lugar en el espacio: tienen volumen.

Cada tipo particular de materia es una sustancia, como el azufre, el azúcar o el alcohol. Las características que distinguen a cada sustancia son sus propiedades.

Las propiedades de la materia se clasifican en dos tipos:

Propiedades intensivas: No dependen de la cantidad de materia. Ejemplos:

• Densidad: relación entre masa y volumen $d = m/v$.
• Punto de ebullición: temperatura a la cual una sustancia cambia de líquido a vapor.
• Punto de fusión: temperatura en que coexisten estado sólido y líquido.
• Dureza: resistencia a ser rayado.
• Conductividad eléctrica y térmica.

Propiedades extensivas: Varían según la cantidad de materia. Ejemplos:

• Volumen
• Masa
• Peso (fuerza de atracción que ejerce la Tierra)

💡 La densidad nos permite identificar sustancias: una gota de aceite flota sobre el agua porque tiene menor densidad.

Clasificación de la Materia

La materia puede clasificarse de diferentes maneras según su composición. Un enfoque común es dividirla en sistemas materiales, que pueden ser:

Sistemas homogéneos: Presentan propiedades intensivas iguales en cualquier parte del sistema. Tienen una sola fase y pueden ser:

• Sustancias puras: Un solo componente (elemento o compuesto).
• Soluciones: Dos o más componentes mezclados uniformemente.

Sistemas heterogéneos: Tienen dos o más fases distinguibles, cada una con propiedades intensivas diferentes.

Sistemas inhomogéneos: Las fases no son claramente distinguibles.

Para separar los componentes de un sistema material, usamos diferentes métodos:

Métodos de separación de fases (sistemas heterogéneos):

• Decantación: Separa líquidos de sólidos o líquidos inmiscibles por diferencia de densidades.
• Filtración: Separa sólidos suspendidos en líquidos usando un filtro.
• Centrifugación: Separa componentes microscópicos por rotación a alta velocidad.
• Tamización: Separa sólidos de diferentes tamaños usando mallas.
• Imantación: Separa componentes según sus propiedades magnéticas.

🔍 Si quieres separar arena y agua, puedes usar decantación y después filtración para recuperar toda la arena.

Métodos de fraccionamiento (sistemas homogéneos):

• Destilación: Separa líquidos con diferentes puntos de ebullición.
• Cromatografía: Separa componentes según su afinidad por un soporte y un solvente.

Las Transformaciones de la Materia

La materia sufre continuamente cambios o transformaciones que en ciencias naturales llamamos fenómenos. Estos pueden ser de dos tipos:

Transformaciones o fenómenos físicos: Son cambios donde el material sigue siendo el mismo antes y después de la transformación. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite, sigue siendo agua, solo cambia su estado físico.

Transformaciones o fenómenos químicos: Son cambios donde los materiales se convierten en otros diferentes. Por ejemplo, cuando quemamos madera, esta se transforma en cenizas y gases.

Un principio fundamental que rige estas transformaciones es la Ley de Lavoisier o de conservación de la masa, que establece: "Durante una transformación química, la masa de todo sistema material cerrado permanece constante". En otras palabras, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Por ejemplo, si 28g de hierro se combinan con 16g de azufre, formarán exactamente 44g de sulfuro de hierro.

💡 Esta ley solo se cumple en un sistema cerrado. Si se forman gases que escapan al ambiente, la masa final del sistema visible será menor.

Los cambios químicos suelen ir acompañados de cambios de temperatura, color, olor o la formación de burbujas o precipitados, mientras que los cambios físicos generalmente solo alteran la apariencia o el estado de la sustancia.

Estados de la Materia

La materia puede encontrarse en tres estados diferentes según su energía y las fuerzas entre sus partículas:

Estado sólido:

• Tiene forma y volumen propios.
• Sus partículas se ordenan en estructuras cristalinas.
• Las fuerzas de atracción entre partículas son muy fuertes.
• El movimiento de las partículas es limitado (baja energía cinética).
• Son poco compresibles.

Estado líquido:

• No tiene forma propia (adopta la del recipiente), pero mantiene su volumen.
• Sus partículas se ordenan en láminas que se deslizan unas sobre otras.
• Presenta un equilibrio entre fuerzas de atracción y repulsión.
• Es incompresible.
• Tiene propiedades como tensión superficial y viscosidad.

Estado gaseoso:

• No tiene forma ni volumen propios (ocupa todo el espacio disponible).
• Las fuerzas entre partículas son principalmente de repulsión.
• Las partículas se mueven libremente con alta energía cinética.
• Es compresible y se expande fácilmente.
• Sus partículas están muy separadas entre sí.

🔍 ¿Sabías que? El término vapor se aplica al estado gaseoso de sustancias que normalmente son líquidas, mientras que gas se refiere a sustancias que naturalmente están en estado gaseoso en condiciones normales.

Los cambios de estado ocurren por transferencia de energía (calor) o cambios de presión:

• Fusión: De sólido a líquido (absorbe calor)
• Solidificación: De líquido a sólido (libera calor)
• Vaporización: De líquido a gas (absorbe calor) - puede ser evaporación o ebullición
• Condensación: De gas a líquido (libera calor)
• Sublimación: De sólido a gas sin pasar por líquido (absorbe calor)

Soluciones

Las soluciones son sistemas homogéneos formados por dos o más componentes. A diferencia de mezclas heterogéneas, en las soluciones no podemos distinguir sus componentes a simple vista y no pueden separarse por métodos mecánicos simples.

En una solución identificamos:

• Soluto: El componente que se encuentra en menor proporción.
• Solvente: El componente en mayor proporción que disuelve al soluto.

Las soluciones pueden existir en cualquiera de los tres estados de la materia:

Soluciones con solvente sólido:

• Sólido en sólido: aleaciones como el bronce $cobre + estaño$.
• Líquido en sólido: amalgamas usadas en odontología $mercurio + metales$.
• Gas en sólido: hidrógeno en paladio.

Soluciones con solvente líquido:

• Sólido en líquido: té $agua + hojas de té$.
• Líquido en líquido: café con leche.
• Gas en líquido: soda $agua + CO₂$.

Soluciones con solvente gaseoso:

• Sólido en gas: naftalina en aire.
• Líquido en gas: niebla (agua en aire).
• Gas en gas: aire (nitrógeno, oxígeno, gases nobles).

💡 No confundas soluciones con coloides (como la mayonesa o la gelatina), que tienen partículas más grandes dispersas pero no disueltas completamente.

La concentración de una solución indica la proporción entre soluto y solvente. Puede expresarse de varias formas:

• Porcentaje masa/masa $$: gramos de soluto por cada 100g de solución.
• Porcentaje masa/volumen $$: gramos de soluto por cada 100ml de solución.
• Porcentaje volumen/volumen $$: mililitros de soluto por cada 100ml de solución.

Estructura Atómica

A lo largo de la historia, diferentes científicos han contribuido a nuestra comprensión de la estructura del átomo:

John Dalton (1803): Propuso que la materia está formada por partículas indivisibles llamadas átomos. Cada elemento tiene átomos idénticos entre sí.

J.J. Thomson (1904): Descubrió el electrón y propuso el modelo de "budín con pasas", donde los electrones (negativos) están incrustados en una esfera positiva.

Ernest Rutherford (1911): Descubrió que el átomo tiene un núcleo pequeño y denso con carga positiva, rodeado por electrones a gran distancia.

Niels Bohr (1913): Propuso que los electrones giran alrededor del núcleo en niveles de energía definidos.

Schrödinger (1926): Desarrolló el modelo de nube electrónica, donde los electrones no tienen posiciones exactas sino probabilidades de encontrarse en ciertas zonas.

El modelo atómico actual establece que:

• El átomo tiene un núcleo central que contiene protones (carga positiva) y neutrones (sin carga).
• Alrededor del núcleo se mueven los electrones (carga negativa) en regiones llamadas orbitales atómicos.
• El número de protones (Z) define el elemento químico.
• En un átomo neutro, el número de protones es igual al de electrones.
• El número de masa (A) es la suma de protones y neutrones.

📌 Los isótopos son átomos del mismo elemento (mismo Z) pero con diferente número de neutrones (diferente A). Por ejemplo, el carbono-12, carbono-13 y carbono-14.

Los iones son átomos que han ganado o perdido electrones:

• Cationes: Átomos que pierden electrones y quedan con carga positiva.
• Aniones: Átomos que ganan electrones y quedan con carga negativa.

La Tabla Periódica

La Tabla Periódica es una herramienta fundamental que ordena los elementos químicos según sus propiedades.

Desarrollo histórico:

• En 1869, Dimitri Mendeleiev ordenó los elementos según sus masas atómicas y observó una repetición periódica de sus propiedades.
• En 1913, Henry Moseley descubrió que las propiedades de los elementos se repiten en función de su número atómico (Z).

Estructura de la Tabla Periódica moderna:

• Está organizada en filas (períodos) y columnas (grupos).
• Los elementos aumentan en número atómico de izquierda a derecha.
• Los elementos de un mismo grupo tienen propiedades químicas similares porque tienen la misma configuración electrónica externa.
• Los elementos de un mismo período tienen propiedades diferentes pero masas similares.

Clasificación de los elementos:

• Metales: Ubicados a la izquierda y centro de la tabla. Son brillantes, buenos conductores del calor y la electricidad, y tienden a perder electrones.
• No metales: Ubicados a la derecha de la tabla. No conducen bien el calor ni la electricidad, y tienden a ganar electrones.
• Metaloides: Tienen propiedades intermedias entre metales y no metales.
• Gases nobles: Grupo 18, muy estables y poco reactivos.
• Halógenos: Grupo 17, muy reactivos.

💡 El número de períodos indica el número de niveles energéticos que tienen los átomos de ese elemento.

Las propiedades periódicas como el radio atómico, la energía de ionización y la electronegatividad siguen patrones regulares a lo largo de la tabla, lo que nos permite predecir el comportamiento químico de los elementos.

Uniones Químicas

Los átomos se unen entre sí para alcanzar mayor estabilidad, generalmente completando ocho electrones en su último nivel energético (regla del octeto). Existen diferentes tipos de uniones químicas:

Unión iónica:

• Se forma entre un metal y un no metal.
• El metal cede electrones (formando un catión) y el no metal los recibe (formando un anión).
• Los iones con cargas opuestas se atraen por fuerzas electrostáticas.
• Ejemplos: NaCl (sal de mesa), FeO (óxido de hierro).
• Propiedades: sólidos a temperatura ambiente, altos puntos de fusión, solubles en agua, conductores eléctricos cuando están disueltos o fundidos.

Unión covalente:

• Se forma entre no metales.
• Los átomos comparten electrones para completar sus octetos.
• Puede ser:
  • Covalente simple: Se comparte un par de electrones $H-H$.
  • Covalente doble: Se comparten dos pares de electrones $O=C=O$.
  • Covalente triple: Se comparten tres pares de electrones (N≡N).
  • Covalente dativa: Un átomo aporta ambos electrones del enlace (SO₃).
• Propiedades: puntos de fusión variables, generalmente no conducen electricidad, pueden ser sólidos, líquidos o gases.

🔬 La estructura de Lewis es una forma de representar los electrones de valencia en una molécula, mostrando los pares de electrones compartidos como líneas o puntos.

Unión metálica:

• Se forma entre átomos de metales.
• Los electrones de valencia forman una "nube" deslocalizada que mantiene unidos a los iones metálicos positivos.
• Propiedades: brillo metálico, alta conductividad eléctrica y térmica, maleabilidad, ductilidad.

Unión puente hidrógeno:

• Es una atracción especialmente fuerte entre el hidrógeno y átomos muy electronegativos como oxígeno y nitrógeno.
• Es fundamental en moléculas como el agua y en estructuras biológicas como el ADN.