1. Conceptos básicos

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1.- Conceptos Bsicos: Historia de la qumica La Materia: Clasificacin, propiedades

1.- Conceptos Bsicos:

La Materia: Clasificacin,propiedades1La materia2Desde la clnica que trata de las dependencias qumicas hasta las representaciones teatrales de qumica recreativa, pasando por el etiquetado de las comidas que anuncia sin productos qumicos aadidos, la qumica y los productos qumicos parecen ya una parte integral de la vida, aunque no siempre son referencias positivas . Una etiqueta anunciando la ausencia de productos qumicos en la comida no tiene sentido, porque todas las comidas son, en s mismas, productos qumicos, incluso los llamados cultivos orgnicos. De hecho, todos los objetos materiales (seres vivos o inanimados) se componen de productos qumicos.

Nebulosa Swan (M 17). Nube de polvo y gas hidrgeno. Colores que emiten el hidrgeno(verde) y oxgeno(azul), azufre (rojo). Captada por el telescopio espacial Hubble. Est a 6.000 aos luz, en la constelacin Sagitario.3Al manipular los materiales que les rodean, los seres humanos siempre han practicado la qumica.Entre las prcticas ms antiguas estaban el esmaltado de cermicas, la fundicin de minerales para obtener metales, curtido de pieles, teido de telas y la fabricacin de queso, vino, cerveza y jabn.

Con la ciencia moderna, los qumicos pueden descomponer la materia en sus componentes ms pequeos (tomos) y reagrupar estos componentes en materiales inexistentes en la naturaleza y que tienen propiedades nuca vistas.

La gasolina, y miles de compuestos qumicos que se usan en la obtencin de plsticos, fibras sintticas, productos farmacuticos y pesticidas son derivados del petrleo. Con la ciencia qumica moderna se pueden entender los procesos fundamentales de la vida y tambin se necesita la ciencia moderna para entender y controlar los procesos que deterioran el medio ambiente, tales como la formacin de smog y la destruccin de la capa de ozono. A veces se llama a la qumica la ciencia central por estar relacionada con muchas reas de la actividad humana.

4Los conocimientos qumicos antiguos se limitaban a describir el como de la qumica, descubierto a base de prueba y error. Los conocimientos modernos contestan el por qu, adems del cmo de los cambio qumicos, que se basan en principios y teoras.Para dominar los principios de la qumica se requiere un trabajo sistemtico y el progreso cientfico es una consecuencia de la forma de trabajar de los cientficos, plantendose las preguntas adecuadas, diseando los experimentos correctos para proporcionar las respuestas adecuadas y formulando explicaciones aceptables de sus hallazgos.

La ciencia se diferencia de otros campos de saber en el mtodo que utilizan los cientficos para adquirir conocimientos y en el significado especial de estos conocimientos.

Los conocimientos cientficos se pueden utilizar para explicar fenmenos naturales y, a veces, para predecir conocimientos futuros.

Los antiguos griegos desarrollaron algunos mtodos potentes para la adquisicin de conocimientos, especialmente en matemticas. La estrategia de los griegos consista en empezar con algunas suposiciones o premisas bsicas. Entonces, mediante el mtodo denominado razonamiento deductivo deban alcanzarse por lgica algunas conclusiones. Por ejemplo, si a = b y b = c, entonces a = c. Sin embargo, la deduccin por s sola no es suficiente para la adquisicin de conocimientos cientficos. 5El filsofo griego Aristteles supuso cuatro sustancias fundamentales: aire, tierra, agua y fierro. Todas las dems sustancias crea que estaban formadas por combinaciones de estos cuatro elementos. Los qumicos de hace varios siglos (mas conocidos como alquimistas) intentaron sin xito aplicar la idea de los cuatro elementos para transformar el plomo en oro. Su fracaso se debi a muchas razones, entre ellas la falsedad de la suposicin de los cuatro elementos.El mtodo cientfico se origin en el siglo XVII con personas como Galileo, Francis Bacon, Robert Boyle e Isaac Newton. La clave del mtodo es que no hacen suposiciones iniciales, sino que se llevan a cabo observaciones minuciosas de los fenmenos naturales. Cuando se han hecho observaciones suficientes como para que comience a emerger un patrn de comportamiento, se formula una generalizacin o ley natural que describa el fenmeno.

GalileoFrancis BaconR. BoyleIsaac Newton6Las leyes naturales son proposiciones concisas, frecuentemente en forma matemtica, acerca del comportamiento de la naturaleza. El proceso de observaciones que conducen a una proposicin de carcter general o ley natural recibe el nombre de razonamiento inductivo. Por ejemplo, en los comienzos del siglo XVI el astrnomo polaco Nicols Coprnico (1473-1543), basndose en un estudio cuidadoso de las observaciones astronmicas, concluy que el planeta Tierra se mueve alrededor del Sol segn una rbita circular, aunque en aquella poca se enseaba, sin ninguna base cientfica, que el Sol y los otros cuerpos celestes giraban alrededor de la Tierra.

Podemos considerar la proposicin de Coprnico como una generalizacin o ley natural. Otro ejemplo de ley natural es la desintegracin radiactiva que establece el tiempo que tardar una sustancia radiactiva en perder su actividad.

El xito de una ley natural depende de su capacidad para explicar las observaciones y predecir nuevos fenmenos. El trabajo de Coprnico alcanz un gran xito porque fue capaz de predecir las posiciones futuras de los planetas con ms precisin que sus contemporneos. Sin embargo, no debemos considerar una ley natural como una verdad absoluta .7Medio siglo despus, Johannes Kepler mejor las ideas de Coprnico mostrando que los planetas no describen rbitas circulares sino elpticas. Para verificar una ley natural el cientfico disea experimentos, para ver si las conclusiones que se deducen de la ley natural concuerdan con los resultados experimentales.Observacin natural o experimentalEl Mtodo CientficoHiptesis: propuesta de explicacinExperimentos: se disean para comprobar la hiptesisRevisin de la hiptesis, si los experimentos muestran que no es adecuadaTeora o modelo: ampla la hiptesis y proporciona prediccionesSe establece la teora, a no ser que nuevos experimentos u observaciones indiquen fallosExperimentos para probar las predicciones de la teoraModificacin de la teora, si los experimentos muestran que no es adecuada8Una hiptesis es un intento de explicacin de una ley natural . Si la hiptesis es consistente con las pruebas experimentales, se la denomina teora. Sin embargo, podemos utilizar este trmino en un sentido ms amplio. Una teora es un modelo o una manera de examinar la naturaleza que puede utilizarse para explicar los fenmenos naturales y hacer predicciones sobre los mismos. Cuando se proponen teoras diferentes o contradictorias, se elige generalmente la que proporciona las mejores predicciones. Tambin se prefiere la teora que requiere el menor nmero de suposiciones, es decir, la teora ms simple. Cuando pasa el tiempo y se acumulan nuevas evidencias experimentales, la mayor parte de las teoras cientficas se modifican y algunas veces de desechan.

El mtodo cientfico es la combinacin de las observaciones y experimentos junto con la formulacin de leyes, hiptesis y teoras. A veces los cientficos desarrollan un patrn de pensamiento en su campo del saber, conocido como un paradigma , cuyo xito es grande al principio, pero despus no lo es tanto. Puede ser necesario un nuevo paradigma. De alguna manera, el mtodo de bsqueda que denominamos mtodo cientfico es tambin un paradigma, y hay quien piensa que tambin necesita ser cambiado.9

Otro factor en el descubrimiento cientfico es la suerte. Muchos descubrimientos se han hecho de forma accidental. Por ejemplo, en 1839, el inventor norteamericano Charles Goodyear estaba investigando un tratamiento para el caucho natural que lo hiciese menos frgil en fro y menos pegajoso en caliente. En el transcurso de su trabajo, derram por accidente una mezcla de caucho y azufre sobre una placa caliente y descubri que el producto resultante tena exactamente las propiedades que estaba buscando. Otros descubrimientos casuales han sido los rayos X, la radiactividad y la penicilina. Por tanto, cientficos e inventores necesitan estar siempre alerta ante las observaciones inesperadas. Quizs nadie ha sido ms consciente de esto que Louis Pasteur, que escribi La casualidad favorece a la mente que est preparada.Louis Pasteur (1822-1895)10La materiaLa qumica es la ciencia que trata de la composicin y propiedades de la materia.

La materia es todo lo que ocupa espacio, tiene una propiedad llamada masa y posee inercia . Cada ser humano es un objeto material. Todos ocupamos espacio y describimos nuestra masa por medio de una propiedad relacionada con ella, nuestro peso. Todos los objetos que vemos a nuestro alrededor son objetos materiales. Los gases de la atmsfera, aunque invisibles, son ejemplos de la materia, ocupan espacio y tienen masa. La luz solar no es materia sino forma de energa.

La composicin se refiere a las partes o componentes de una muestra de materia y a sus proporciones relativas. El agua comn est formada por dos sustancias ms simples, hidrgeno y oxgeno, presentes en determinadas proporciones fijas. Un qumico dira que la composicin en masa del agua es de 11, 19 % por ciento de hidrgeno y 88,81 % de oxgeno. El perxido de hidrgeno, sustancia utilizada como blanqueador y desinfectante, tambin esta formada por hidrgeno y oxgeno, pero tiene una composicin, pero tiene una composicin diferente. El perxido de hidrgeno est formado por 5,93 % de hidrgeno y 94,07 % de oxgeno en masa.11Las propiedades son las cualidades y atributos que podemos utilizar para distnguir una muestra de materia de otra. Las propiedades de la materia se agrupan generalmente en dos amplias categoras: propiedades fsicas y propiedades qumicas.

Las propiedades fsicasUna propiedad fsica es una propiedad que una muestra de materia tiene mientras no cambie su composicin. Pueden establecerse visualmente en algunos casos. As, podemos distinguir mediante el color entre el slido de color marrn rojizo, llamado cobre, y el slido de color amarillo, llamado azufre.

cobreazufreCon un martillo se pueden preparar hojas delgadas o laminas de cobre. Los slidos que tienen esta propiedad se dice que son maleables . El azufre no es maleable. Si golpeamos un trozo de azufre con un martillo, el trozo se deshace en forma de polvo. El azufre es frgil . Otras propiedades fsicas del cobre, que no tiene el azufre, son la capacidad de ser estirado en forma de alambre (ductilidad) y la capacidad de conducir electricidad. Algunas veces una muestra de materia cambia su aspecto fsico, es decir, experimenta una transformacin fsica. En una transformacin fsica pueden cambiar algunas de las propiedades fsicas de la muestra pero su composicin permanece inalterada. Cuando el agua lquida se congela formndose agua slida (hielo), sin duda el agua parece diferente y, en muchos sentidos, lo es. Sin embargo permanece inalterada la composicin en masa del agua 11,19 % de hidrgeno y 88.81 % de oxgeno.12Propiedades qumicas

En una transformacin qumica o reaccin qumica, una o ms muestras de materia se convierten en nuevas muestras con composiciones diferentes. Por tanto, la clave para identificar una transformacin qumica es observar un cambio en la composicin. Cuando se quema un papel tiene lugar una transformacin qumica. El papel es un material complejo, pero sus componentes principales son carbono, hidrgeno y oxgeno. Los productos principales de la combustin son dos gases, uno de ellos formado por carbono y oxgeno (dixido de carbono) y el otro por hidrgeno y oxgeno (agua en forma de vapor).La capacidad de arder del papel es un ejemplo de propiedad qumica. Una propiedad qumica es la capacidad (o incapacidad) de una muestra de materia para experimentar un cambio en su composicin bajo ciertas condiciones.El cinc reacciona con una disolucin de cido clorhdrico producindose hidrgeno y una disolucin acuosa de cloruro de cinc. La capacidad del cinc para reaccionar con el cido clorhdrico es una de las propiedades qumicas caractersticas del cinc. La incapacidad del oro para reaccionar con el cido clorhdrico es una de las propiedades qumicas del oro. El sodio reacciona no solo con el cido clorhdrico sino tambin con el agua. El cinc, el oro y el sodio son similares en algunas de sus propiedades fsicas. Por ejemplo, todos ellos son maleables y buenos conductores del calor y la electricidad. Sin embargo el cinc, el oro y el sodio son bastante diferentes en sus propiedades qumicas. 13Clasificacin de la materiaMateriaSustanciasMezclasCompuestos

Sal de mesa, (NaCl)Agua, H2OAmoniaco, NH3

Elementos

OxgenoHidrgenoHierro

Homognea

GasolinaAireAgua con salTodas las aleaciones

Heterognea

PizzaArena y aguaSalsa para ensaladaSangreLecheSeparacin fsicaReaccionesQumica14Clasificacin de la materiaLa materia est formada por unas unidades diminutas denominadas tomos. Un elemento qumico es una sustancia formada por un solo tipo de tomos. Actualmente, la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC) reconoce 112 elementos y toda la materia est formada nicamente por estos 112 tipos de tomos. Los elementos conocidos comprenden desde sustancias comunes como el carbono, el hierro y la plata, hasta sustancias poco frecuentes como el lutecio y el tulio. En la naturaleza podemos encontrar aproximadamente 90 de estos elementos. El resto no aparecen de forma natural y solamente podemos obtenerlos artificialmente.

Los compuestos qumicos son sustancias en las que se combinan entre si los tomos de diferentes elementos. Los cientficos han identificado millones de compuestos qumicos diferentes. En algunos casos podemos aislar una molcula de un compuesto. Una molcula es la entidad ms pequea posible en la que se mantienen las mismas proporciones de los tomos constituyentes que el compuesto qumico. Una molcula de agua est formada est formada por tres tomos: dos tomos de hidrgeno unidos a un solo tomo de oxgeno. Una molcula de perxido de hidrgeno tiene dos tomos de hidrgeno y dos tomos de oxigeno; los tomos de oxgeno estn unidos entre s y hay un tomo de hidrgeno unido a cada tomo de oxigeno.

Molcula de perxido de hidrgeno15En cambio una molcula de la protena de la sangre llamada gamma globulina, est formada por 19 996 tomos de solo cuatro tipos: carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno.

Gamma globulinaLa composicin y las propiedades de un elemento o compuesto son uniformes en cualquier parte de una muestra, o en muestras distintas del mismo elemento o compuesto. Los elementos y compuestos se denominan sustancias. Una mezcla de sustancias puede variar en composicin y propiedades de una muestra a otra. Cuando una mezcla es uniforme en composicin y propiedades en cualquier parte de una muestra determinada se dice que es una mezcla homognea o una disolucin . Una disolucin acuosa de sacarosa (azcar de caa) tiene un dulzor uniforme en cualquier parte de la disolucin, pero el dulzor de otra disolucin de sacarosa puede ser muy distinto si las proporciones de azcar y agua son diferentes. El aire ordinario es una mezcla homognea de varios gases, principalmente los elementos nitrgeno y oxgeno. El agua de mar es una mezcla homognea o disolucin de docenas de compuestos.16En las mezclas heterogneas, como la formada por arena y agua, los componentes se separan en zonas diferenciadas. Por tanto, la composicin y las propiedades fsicas varan de una parte a otra de la mezcla. Una salsa para ensalada, una losa de hormign y una hoja de una planta son todas ellos heterogneos. Generalmente es fcil distinguir las mezclas heterogneas de las homogneas.Separacin de mezclasLos componentes de una mezcla pueden separarse mediante transformaciones fsicas adecuadas. En una mezcla heterognea de arena y agua, cuando echamos esta mezcla en un embudo provisto de un papel filtro porosos, el agua lquida pasa y la arena queda retenida en el papel. Este proceso se separacin de un slido del lquido en el que se encuentra en suspensin, recibe el nombre de filtracin

17En cambio, no se puede separar una mezcla homognea (disolucin) de sulfato de cobre (II) en agua por filtracin porque todos los componentes pasan a travs del papel. Pero podemos hervir la disolucin de sulfato de cobre (II) en agua. El agua lquida pura se obtiene del vapor liberado al hervir la disolucin. Cuando se ha separado toda el agua, el sulfato de cobre (II) permanece en el recipiente. Esta operacin se denomina destilacin

Otro mtodo de separacin se basa en la distinta capacidad de los compuestos para adherirse a las superficies de varias sustancias slidas como el papel o el almidn. Este es el fundamento de la tcnica de cromatografa.

18Descomposicin de los compuestosUn compuesto qumico mantiene su identidad durante las transformaciones fsicas pero puede descomponerse en sus elementos constituyentes por medio de transformaciones qumicas. La extraccin del hierro del hierro de los minerales de xido de hierro requiere un alto horno. La obtencin de magnesio a partir del cloruro de magnesio a escala industrial requiere electricidad. Generalmente es ms fcil convertir un compuesto en otros compuestos mediante reaccin qumica que separar un compuesto en sus elementos constituyentes. Por ejemplo, cuando se calienta el dicromato de amonio se descompone en xido de cromo (III), nitrgeno y agua.

19Estados de la materiaLa materia puede encontrarse en uno de los tres estados, slido, lquido o gas. En un slido, los tomos o molculas estn en contacto prximo, a veces en disposiciones muy organizadas que se llaman cristales . Un slido tiene una forma definida. En un lquido, los tomos o molculas estn generalmente separados por distancias mayores que en un slido. El movimiento de estos tomos o molculas proporciona al lquido una de sus propiedades ms caractersticas: la capacidad de fluir cubriendo el fondo y adoptando la forma del recipiente que lo contiene. En un gas, las distancias entre los tomos o molculas son mucho mayores que en un lquido. Un gas siempre se expande hasta llenar el recipiente que lo contiene. Dependiendo de las condiciones, una sustancia puede existir solo en uno de los estados de la materia, o puede estar en dos o tres estados. As cuando el hielo de un charco empieza a fundir en primavera, el agua est en dos estados, el slido y el lquido (realmente en tres estados, si tenemos en cuenta el vapor del agua del aire en contacto con el charco).

20Unidades SI. Medida de las propiedades de la materiaExpresamos la medida como el producto de un nmero y una unidad . La unidad indica el patrn con el que hemos comparado la cantidad medida. Cuando decimos que la longitud del campo de futbol es 100 yardas queremos decir que el campo es 100 veces mas largo que un patrn de longitud llamado yarda (yd).

El sistema cientfico de medidas se llama Systme Internationale d Units (Sistema Internacional de Unidades) y de forma abreviada SI. Es una versin moderna del sitema mtrico, un sistema basado en la unidad de longitud llamada metro (m). El metro se defini originalmente como la diezmillonsima parte de la distancia del ecuador al Polo Norte. Esta longitud se traslad a una barra metlica conservada en Pars. Desafortunadamente, la longitud de la barra est sometida a cambios con la temperatura y no puede reproducirse exactamente. El sistema SI sustituye la barra patrn de metro por una magnitud que puede reproducirse en cualquier sitio: 1 metro es la distancia recorrida por la luz en el vaco en 1/299 792 458 de un segundo. La longitud es una de las siete magnitudes fundamentales del sistema SI. Cualquier magnitud tiene unidades que se derivan de estas siete. El sistema SI es un sistema decimal. Las magnitudes que difieren de la unidad bsica en potencia de diez se indican por medio de prefijos escritos antes de la unidad bsica. Por ejemplo, el prefijo kilo significa mil veces (103) la unidad bsica y se abrevia por k kilmetro = 1000 metros o 1 Km = 1000 m.21Magnitudes SI bsicasMagnitud fsicaUnidadSmboloLongitudMasaTiempoTemperaturaCantidad de sustanciaIntensidad de corrienteIntensidad luminosametrokilogramosegundokelvinmolamperiocandelamKgsKmolAcd22Prefijos SIMltiploPrefijo10181015101210910610310210110-110-210-310-610-910-1210-1510-1810-2110-24

exa (E)peta (P)tera (T)giga (G)mega (M)kilo (k)hecto (h)deca (da)deci (d)centi (c)mili (m)micro ()nano (n)pico (p)fempto (f)atto (a)zepto (z)yocto (y)23Masa24TiempoEl tiempo se mide en segundos, minutos, horas y aos, en la vida diaria, dependiendo de si se trata de intervalos cortos (como el de una carrera de 100 m) o largos (como el tiempo que falta para la siguiente aparicin del cometa Halley en el ao 2062). Todas estas unidades se utilizan en el trabajo cientfico, aunque el patrn SI del tiempo es el segundo(s). Antiguamente se basaba en la duracin de un da, pero ese tiempo no es constante debido a que la velocidad de rotacin de la tierra no es constante. En 1956, se defini el segundo como 1/31 556 925,9747 de la duracin del ao 1900. El desarrollo de relojes atmicos hizo posible una definicin ms precisa. El segundo es la duracin de 9 192 631 770 ciclos de una determinada radiacin emitida por tomos del elemento cesio conocido como cesio-133.

TemperaturaLas escalas de temperaturas se establecen arbitrariamente ciertos puntos fijos e incrementos de temperatura denominados grados. Dos puntos fijos habitualmente son la temperatura a la que funde el hielo y la temperatura a la que el agua hierve ambos a presin atmosfrifa estndar.(temperatura de 25 C (298,15 K) y una presin absoluta de 100 kPa (0,986 atm, 14,504 psi).)125En la escala Celsius el punto de fusin del hielo es 00 C, el punto de ebullicin del agua es 100 0C, y el intervalo entre ambos se dividen en 100 partes iguales llamados grados Celsius.

En la escala de temperatura Fahrenheit el punto de fusin del hielo es 32 0F, el punto de ebullicin del agua es 212 0F, y el intervalo entre ambos se divide en 180 partes iguales llamados grados Fahrenheit.

La escala de temperaturas SI se denomina escala Kelvin y asigna el valor cero a la temperatura mas baja posible. Este 0 K, tiene lugar a -273,15 0C

El intervalo undidad en la escala Kelvin, llamado kelvin, es igual que un grado Celsius.

Cuando se escribe una temperatura Kelvin, no se utiliza el smbolo de grado. Se escribe 0 K o 300 K.Kelvin a partir de Celsius T (K) = t(0C) + 273,1526La densidadLa masa y el volumen son magnitudes extensivas. Una magnitud extensiva depende del tamao de la muestra observada. Sin embargo si se divide la masa de una sustancia por su volumen, se obtiene, la densidad, una magnitud intensiva. Una magnitud intensiva independiente del tamao de la muestra observada. Por tanto, la densidad del agua a pura a 25 0C tiene un valor determinado, sea la de una muestra contenida en un matraz pequeo (masa pequea/volumen pequeo) o la que llena una piscina (masa grande/volumen grande). Las propiedades intensivas son especialmente importantes en los estudios en qumica porque suelen utilizarse para identificar sustancias.

La unidades bsicas SI de masa y volumen son kilogramo y metro cbico, respectivamente, pero generalmente se expresa la masa en gramos y el volumen en centmetro cbicos o mililitros. La unidad de densidad ms frecuente es entonces gramos por centmetro cbico (g/cm3), o la unidad idntica a esta de gramos por mililitros (g/ml).

27Ejemplos:Un cubo de osmio de 1,000 cm de arista pesa 22,59 g. La densidad del osmio (el ms denso de los elementos) es 22,59 g/cm3. Cul ser la masa de otro cubo de osmio que tiene 1,25 pulgadas de arista (1 pulgada (in) = 2,54 cm)?in osmio cm osmio cm3 g osmioLa densidad del mercurio, el nico metal que es lquido, es 14,5 g/mL a 250C. Suponga que deseamos saber el volumen en mL de 1,000 kg a 250Ckg mercurio g mercurio mL mercurio2728Una barra cilndrica de acero inoxidable de 1,000 in de dimetro , tiene una densidad de 7,75 g/cm3. Qu longitud de barra debemos cortar para separar 1,00 kg de acero? Para determinar la densidad del tricloroetileno, un liquido que se usa para desengrasar componentes electrnicos, se pesa un matraz vaco (108,6 g). Despus se llena con 125 mL de tricloroetileno y se obtiene una masa total de 294,4 g. Cul es la densidad del tricloroetileno en gramos por militro?