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La restauración de obras de arte, como esta pintura de Rafael, se basa, en gran me-dida, en las propiedades físicas y químicas de los materiales.

En los últimos tiempos la gente se ha sensibilizado de forma crecientecon respecto a la química, debido a problemas medioambientales como lalluvia ácida o la destrucción de la capa de ozono. Sin embargo, las descrip-ciones populares de estos problemas no suelen proporcionar suficienteconocimiento de los principios básicos, aunque estos sean necesarios paraaplicar los conocimientos de química a los problemas del mundo real. Eldominio de estos principios requiere una aproximación más sistemática a laciencia química. En este capítulo estudiaremos algunos de los términos máselementales que utilizan los químicos y los métodos generales que empleanpara hacer medidas y para expresar sus resultados. Algunos contenidos deeste capítulo pueden resultarle familiares gracias a sus estudios anteriores.

1.1 El alcance de la química1.2 El método científico1.3 Propiedades de la materia1.4 Clasificación de la materia1.5 Medida de las propiedades

de la materia. Unidades SI1.6 La densidad, la composición

porcentual y su utilización enla resolución de problemas

1.7 Incertidumbre en la medidascientíficas

1.8 Cifras significativas■ Atención a El método

científico en acción: poliagua

Las propiedadesde la materiay su medida

C o n t e n i d o

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1.1 El alcance de la químicaLa química estudia la materia, incluyendo a nosotros mismos y a todo lo que nos rodea.En muchas de nuestras actividades intervienen las reacciones químicas, cambios de unasustancia química a otra. Cuando cocinamos, los alimentos sufren cambios químicos y des-pués de comer, nuestros cuerpos llevan a cabo reacciones químicas complejas para extraerlos nutrientes que pueden utilizar. La gasolina que emplean nuestros automóviles comocombustible es una mezcla de docenas de compuestos químicos diferentes. La combus-tión de esta mezcla proporciona la energía que impulsa al automóvil. Desgraciadamente,algunas de las sustancias que se producen en la combustión de la gasolina intervienen enla contaminación atmosférica. Paradójicamente, aunque muchos de los problemas del me-dio ambiente que asedian a la sociedad moderna tienen un origen químico, los métodospara controlar y corregir estos problemas son también en gran medida de naturaleza quí-mica. Por tanto, de alguna manera, la química nos afecta a todos.

A veces se llama a la química la ciencia central por estar relacionada con muchos otroscampos científicos y con tantas áreas a las que se dedican el esfuerzo y la curiosidad hu-manas. Los químicos que desarrollan nuevos materiales para mejorar los dispositivos elec-trónicos, como las pilas solares, los transistores y los cables de fibra óptica, trabajan enla zona fronteriza de la química con la física y la ingeniería. Los que desarrollan nuevosfármacos contra el cáncer o el SIDA trabajan en la zona fronteriza de la química con lafarmacología y la medicina. Los bioquímicos están interesados en los procesos que tienen lugar en los seres vivos. Los químico-físicos se dedican a los principios funda-mentales de la física y la química, intentando contestar a las preguntas básicas que se plan-tean en todas las áreas de la química: ¿por qué algunas sustancias reaccionan entre sí y otrasno? ¿Con qué velocidad tendrá lugar una reacción química determinada? ¿Cuánta ener-gía utilizable puede extraerse de una reacción química? Los químicos analíticos estudianlos procedimientos para separar e identificar las sustancias químicas. Los científicos es-pecializados en medio ambiente utilizan ampliamente muchas de las técnicas desarrolla-das por los químicos analíticos. Los químicos orgánicos centran su atención en lassustancias que contienen carbono e hidrógeno combinados con otros pocos elementos. Lamayor parte de las sustancias son compuestos químicos orgánicos. Por ejemplo, las célu-las de los seres vivos están formadas por agua y compuestos químicos orgánicos, más unapequeña cantidad de varias sales. Aunque las áreas de la química orgánica y la inorgáni-ca se solapan de muchas formas, los químicos inorgánicos se centran en la mayoría de loselementos, exceptuando el carbono.

Aunque la química es una ciencia madura, su panorama está salpicado de retos y pre-guntas sin responder. La tecnología moderna requiere materiales nuevos con propiedadespoco usuales, y los químicos deben diseñar métodos para producir estos materiales. La me-dicina moderna necesita fármacos formulados para llevar a cabo tareas específicas en elcuerpo humano, y los químicos deben diseñar las estrategias para sintetizar estos fárma-cos a partir de compuestos iniciales relativamente simples. La sociedad exige mejoras enlos métodos de control de la contaminación, sustitutos para las materias primas que esca-sean, métodos seguros para deshacerse de los residuos tóxicos y modos más eficaces de ex-traer energía de los combustibles. Los químicos trabajan en todas estas áreas.

El progreso de la ciencia es una consecuencia de la forma de trabajar de los científi-cos, al plantearse las preguntas adecuadas, diseñar los experimentos correctos para pro-porcionar las respuestas adecuadas y formular explicaciones aceptables de sus hallazgos.Examinemos a continuación el método científico con más detenimiento.

1.2 El método científicoLa ciencia se diferencia de otros campos del saber por el método que utilizan los cientí-ficos para adquirir conocimientos y en el significado especial de estos conocimientos. Losconocimientos científicos se pueden utilizar para explicar fenómenos naturales y, a veces,para predecir acontecimientos futuros.

2 Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida

▲ Como bioquímico, Percy Ju-lian (1899-1975) desarrolló unaserie de productos farmacéuticosbasados en los extractos de soja.Uno de sus logros iniciales fueun tratamiento para el glaucoma.Más tarde, el Dr. Julian fundó supropia compañía, en la que sedesarrollaron tratamientos parala artritis y otras enfermedades.

▲ La doctora Susan Solomon,química y científica responsablede la expedición nacional delozono a la Antártida en 1986-87,es mundialmente conocida comoexperta en el estudio interdisci-plinar de la disminución delozono estratosférico.

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Los antiguos griegos desarrollaron algunos métodos potentes para la adquisición de co-nocimientos, especialmente en matemáticas. La estrategia de los griegos consistía enempezar con algunas suposiciones o premisas básicas. Entonces, mediante el método de-nominado razonamiento deductivo debían alcanzarse por lógica algunas conclusiones.

Por ejemplo, si a=b y b=c, entonces a=c. Sin embargo, la deducción por sí solano es suficiente para la adquisición de conocimientos científicos. El filósofo griegoAristóteles supuso cuatro sustancias fundamentales: aire, tierra, agua y fuego. Aristótelescreía que todas las demás sustancias estaban formadas por combinaciones de estos cuatroelementos. Los químicos de hace varios siglos (más conocidos como los alquimistas) in-tentaron sin éxito aplicar la idea de los cuatro elementos para transformar plomo en oro.Su fracaso se debió a muchas razones, entre ellas la falsedad de la suposición de los cua-tro elementos.

El método científico se originó en el siglo XVII con personas como Galileo, FrancisBacon, Robert Boyle e Isaac Newton. La clave del método es que no se hacen suposicio-nes iniciales, sino que se llevan a cabo observaciones minuciosas de los fenómenos na-turales. Cuando se han hecho observaciones suficientes como para que comience aemerger un patrón de comportamiento, se formula una generalización o ley natural quedescriba el fenómeno. Las leyes naturales son proposiciones concisas, frecuentemente enforma matemática, acerca del comportamiento de la naturaleza. El proceso de observa-ciones que conducen a una proposición de carácter general o ley natural recibe el nom-bre de razonamiento inductivo. Por ejemplo, a comienzos del siglo XVI el astrónomo polacoNicolás Copérnico (1473-1543), basándose en un estudio cuidadoso de las observacionesastrónomicas, concluyó que el planeta Tierra se mueve alrededor del sol según una órbi-ta circular, aunque en aquella época se enseñaba, sin ninguna base científica, que el sol ylos otros cuerpos celestiales giraban alrededor de la Tierra. Podemos considerar la pro-posición de Copérnico como una generalización o ley natural. Otro ejemplo de ley natu-ral es la desintegración radiactiva que establece el tiempo que tardará una sustanciaradiactiva en perder su actividad.

Para probar una ley natural el científico diseña una situación controlada o experimen-to, para ver si las conclusiones que se deducen de la ley natural concuerdan con los re-sultados experimentales. El éxito de una ley natural viene dado por su capacidad desintetizar las observaciones y de predecir fenómenos nuevos. El trabajo de Copérnico al-canzó un gran éxito porque Copérnico fué capaz de predecir las posiciones futuras de losplanetas con mas precisión que sus contemporáneos. Sin embargo, no debemos conside-rar una ley natural como una verdad absoluta. Futuros experimentos pueden obligarnosa modificar la ley o a desecharla. Medio siglo después, Johannes Kepler mejoró las ide-as de Copérnico mostrando que los planetas no describen órbitas circulares sino elípticas.

Una hipótesis es un intento de explicación de una ley natural. Si la hipótesis es con-sistente con las pruebas experimentales, se la denomina teoría. Sin embargo, podemos uti-lizar este término en un sentido más amplio. Una teoría es un modelo o una manera deexaminar la naturaleza que puede utilizarse para explicar los fenómenos naturales y ha-cer predicciones sobre los mismos. Cuando se proponen teorías diferentes o contradicto-rias, se elige generalmente la que proporciona las mejores predicciones. También seprefiere la teoría que requiere el menor número de suposiciones, es decir, la teoría más sim-ple. Cuando pasa el tiempo y se acumulan nuevas evidencias experimentales, la mayor par-te de las teorías científicas se modifican y algunas se desechan.

El método científico es la combinación de las observaciones y experimentos junto conla formulación de leyes, hipótesis y teorías. En el margen se ilustra el método científicomediante un diagrama de flujo. Pero no es acertado suponer que el éxito científico estágarantizado si simplemente se siguen una serie de procedimientos semejantes a los de unlibro de cocina. A veces los científicos desarrollan un patrón de pensamiento en su cam-po del saber, conocido como un paradigma, cuyo éxito es grande al principio, pero des-pués no lo es tanto. Puede ser necesario un nuevo paradigma. Por ejemplo, durante muchotiempo se creyó en psiquiatría que toda enfermedad mental era un producto de la mentey no del cuerpo. Un nuevo paradigma en psiquiatría reconoce que algunas enfermedadesmentales están causadas por desequilibrios químicos corporales. Por último, muchos des-

1.2 El método científico 3

Observación naturalo experimental

Propuesta de explicación:hipotesis

Experimentos diseñadospara comprobar la hipótesis

Experimentos para probarlas predicciones de la teoría

Teoría (o modelo) queamplía la hipótesis y

proporciona predicciones

Se revisa los experimentos

si muestran que la hipótesis no es adecuada

Se modifica la teoría si los experimentos

muestrán que el modulo no es adecuado

Se establece la teoría a no ser que nuevos

experimentos u observaciones indiquen fallos del modulo

▲ Ilustración del método cientí-fico.

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cubrimientos se han hecho de forma accidental (como los rayos X, la radioactividad y lapenicilina, por nombrar unos pocos). Estos son los descubrimientos casuales. El inventoramericano Charles Goodyear estaba investigando en 1839 un tratamiento para el cauchonatural que lo hiciese menos frágil en frío y menos pegajoso en caliente. En el transcur-so de su trabajo, derramó por accidente una mezcla de caucho y azufre sobre una placacaliente y descubrió que el producto resultante tenía exactamente las propiedades que estaba buscando. Por tanto, los científicos (y los inventores) necesitan estar siempre aler-ta a las observaciones inesperadas. Quizás nadie ha sido más consciente de esto queLouis Pasteur, que escribió “La casualidad favorece a la mente que está preparada”.

1.3 Propiedades de la materiaLas definiciones de química que se encuentran en los diccionarios incluyen los términosmateria, composición y propiedades, como en la frase: “la química es la ciencia que tra-ta de la composición y propiedades de la materia”. En esta sección y en la siguiente se es-tudiarán algunas ideas básicas sobre estos tres términos, esperando que con ello secomprenda mejor el objeto de la química.

La materia es todo lo que ocupa espacio, tiene una propiedad llamada masa y poseeinercia. Cada ser humano es un objeto material. Todos ocupamos espacio y describimosnuestra masa por medio de una propiedad relacionada con ella, nuestro peso. (La masa yel peso se describen con más detalle en la Sección 1.5. La inercia se describe en elApéndice B.) Todos los objetos que vemos a nuestro alrededor son objetos materiales. Losgases de la atmósfera, aunque invisibles, son ejemplos de la materia, ocupan espacio y tie-nen masa. La luz solar no es materia sino una forma de energía. Sin embargo, podemosesperar unos capítulos antes de introducir el concepto de energía.

La composición se refiere a las partes o componentes de una muestra de materia y asus proporciones relativas. El agua ordinaria está formada por dos sustancias más simples,hidrógeno y oxígeno, presentes en determinadas proporciones fijas. Un químico diría quela composición en masa del agua es de 11,19 por ciento de hidrógeno y 88,81 por cientode oxígeno. El peróxido de hidrógeno, sustancia utilizada como blanqueante y desinfec-tante, también está formado por hidrógeno y oxígeno, pero tiene una composición dife-rente. El peróxido de hidrógeno está formado por 5,93 por ciento de hidrógeno y 94,07por ciento de oxígeno en masa.

Las propiedades son las cualidades y atributos que podemos utilizar para distinguir unamuestra de materia de otra. Pueden establecerse visualmente en algunos casos. Así, pode-mos distinguir mediante el color entre el sólido de color marrón rojizo, llamado cobre, y elsólido de color amarillo, llamado azufre (Figura 1.1). Las propiedades de la materia se agru-pan generalmente en dos amplias categorías: propiedades físicas y propiedades químicas.

Las propiedades y transformaciones físicasUna propiedad física es la que tiene una muestra de materia mientras no cambie su com-posición. Con un martillo se pueden preparar hojas delgadas o láminas de cobre (véase laFigura 1.1). Los sólidos que tienen esta propiedad se dice que son maleables. El azufre

4 Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida

▲ Louis Pasteur (1822-1895).Este gran seguidor del métodocientífico desarrolló la teoría delos gérmenes como causa de lasenfermedades, la esterilizaciónde la leche por pasteurización yla vacuna contra la rabia. Al-gunos le consideran el médicomás grande de todos los tiempos.De hecho, Pasteur, por sus estu-dios y por su actividad profe-sional, no fue médico sinoquímico.

N FIGURA 1.1Propiedades físicas del azufre y el cobreUn trozo de azufre (izquierda) golpeado conun martillo, se deshace en forma de polvofino. El cobre (derecha) puede obtenerse enforma de pepitas, y puede transformarse enpelets o ser estirado en forma de alambre ode láminas finas si se golpea con un martillo.

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no es maleable. Si golpeamos un trozo de azufre con un martillo, el trozo se deshace enforma de polvo. El azufre es frágil. Otras propiedades físicas del cobre, que no tiene elazufre, son la capacidad de ser estirado en forma de alambre (ductilidad) y la capacidadde conducir el calor y la electricidad.

Algunas veces una muestra de materia cambia su aspecto físico, es decir, experimentauna transformación física. En una transformación física pueden cambiar algunas de laspropiedades físicas de la muestra de materia, pero su composición permanece inalterada.Cuando el agua líquida se congela formándose agua sólida (hielo), sin duda el agua pare-ce diferente y, en muchos sentidos, lo es. Sin embargo permanece inalterada la composi-ción en masa del agua, 11,19 por ciento de hidrógeno y 88,81 por ciento de oxígeno.

Las propiedades y transformaciones químicasEn una transformación química o reacción química, una o más muestras de materia seconvierten en nuevas muestras con composiciones diferentes. Por tanto, la clave para iden-tificar una transformación química es observar un cambio en la composición. Cuando sequema un papel tiene lugar una transformación química. El papel es un material comple-jo, pero sus componentes principales son carbono, hidrógeno y oxígeno. Los productosprincipales de la combustión son dos gases, uno de ellos formado por carbono y oxígeno(dióxido de carbono) y el otro por hidrógeno y oxígeno (agua en forma de vapor). La ca-pacidad de arder del papel es un ejemplo de propiedad química. Una propiedad quími-ca es la capacidad (o incapacidad) de una muestra de materia para experimentar uncambio en su composición bajo ciertas condiciones.

El zinc reacciona con una disolución de ácido clorhídrico produciéndose gas hidróge-no y una disolución acuosa de cloruro de zinc (Figura 1.2). La capacidad del zinc para re-accionar con el ácido clorhídrico es una de las propiedades químicas características delzinc. La incapacidad del oro para reaccionar con el ácido clorhídrico es una de las pro-piedades químicas del oro. El sodio reacciona no sólo con el ácido clorhídrico sino tam-bién con el agua. El zinc, el oro y el sodio son similares en algunas de sus propiedadesfísicas. Por ejemplo, todos ellos son maleables y buenos conductores del calor y la elec-tricidad. Sin embargo, el zinc, el oro y el sodio son bastante diferentes en sus propieda-des químicas. El conocimiento de estas diferencias nos ayuda a comprender porqué el zinc,que no reacciona con el agua, puede utilizarse para hacer clavos y piezas de tejados y ca-nalones, mientras que el sodio no. También podemos comprender porqué el oro es apre-ciado por ser químicamente inerte para hacer joyas y monedas; ni se oxida ni se altera. Ennuestro estudio de la química veremos porqué las sustancias tienen propiedades diferen-tes y cómo estas diferencias determinan el uso que hacemos de los materiales.

1.4 Clasificación de la materiaComo se describirá con más detalle en los siguientes capítulos, la materia está formada porunas unidades diminutas denominadas átomos. Actualmente sabemos que existen 115 ti-pos diferentes de átomos y ¡toda la materia está formada únicamente por estos 115 tipos!Estos 115 tipos de átomos son la base de los 115 elementos. Un elemento químico es unasustancia formada solamente por un sólo tipo de átomo. Los elementos conocidos com-prenden desde sustancias comunes como el carbono, el hierro y la plata, hasta sustanciaspoco frecuentes como el lutecio y el tulio. En la naturaleza podemos encontrar aproxima-damente 90 de estos elementos. El resto no aparecen de forma natural y solamente pode-mos obtenerlos artificialmente. En la contracubierta delantera, se encuentra una listacompleta de los elementos y también una ordenación especial de los mismos en forma detabla, denominada tabla periódica. La tabla periódica, guía de los elementos para el químico,será descrita en el Capítulo 2 y la utilizaremos a lo largo de la mayor parte del texto.

Los compuestos químicos son sustancias en las que se combinan entre sí los átomosde diferentes elementos. Los científicos han identificado millones de compuestos quími-cos diferentes. En algunos casos podemos aislar una molécula de un compuesto. Una mo-lécula es la entidad más pequeña posible en la que se mantienen las mismas proporciones

1.4 Clasificación de la materia 5

▲ FIGURA 1.2Reacción con el ácidoclorhídrico: comparación deuna propiedad química del zincy el oroUn clavo recubierto de zinc(galvanizado) reacciona con elácido clorhídrico produciéndoseburbujas de gas hidrógeno. Lacadena de oro no es atacada porel ácido clorhídrico. La capa dezinc del clavo de la fotografía seha consumido por completo,dejando al descubierto el hierrodel interior. La reacción delhierro con el ácido clorhídricohace que se coloree ladisolución.

N La identidad del átomo se es-tablece por medio de una carac-terística denominada númeroatómico, que se introduce en laSección 2.3. Las investigacionesen física nuclear de los últimosaños han proporcionado varioselementos nuevos. Los elemen-tos números 110 y 111 se des-cubrieron en 1994, el elemento112 en 1996 y los elementos114, 116 y 118 en 1999.

Animación comparandotransformaciones físicasy químicas

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de los átomos constituyentes que en el compuesto químico. Una molécula de agua está for-mada por tres átomos: dos átomos de hidrógeno unidos a un solo átomo de oxígeno. Unamolécula de peróxido de hidrógeno tiene dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxí-geno; los átomos de oxígeno están unidos entre sí y hay un átomo de hidrógeno unido acada átomo de oxígeno. En cambio, una molécula de la proteína de la sangre llamada gam-ma globulina, está formada por 19.996 átomos de sólo cuatro tipos: carbono, hidrógeno,oxígeno y nitrógeno.

6 Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida

▲ ¿Homogéneo o heterogéneo?Cuando la leche homogeneizadase observa a través de un micro-scopio, se ve que consiste engotas de grasa dispersas en unmedio acuoso. La leche homo-geneizada es una mezcla het-erogénea.

¿Puede separarsepor un proceso físico?

No Sí

Matería

¿Puede descomponerse por un proceso quimico?

Sí SíNo No

Sustancia

Compuesto Elemento Homogénea Hetereogénea

¿Es totalmenteuniforme?

Mezcla

N FIGURA 1.3 Esquema declasificación de la materiaCualquier muestra de materia es,o bien una sustancia pura (unelemento o un compuesto), obien una mezcla de sustancias. Anivel molecular, un elementoestá formado por átomos de unsólo tipo y un compuesto por doso más tipos de átomos, unidosgeneralmente en forma demoléculas. En una mezclahomogénea los átomos ymoléculas están mezclados alazar a nivel molecular. En lasmezclas heterogéneas loscomponentes están físicamenteseparados, como en la capa demoléculas de octano (uncomponente de la gasolina) queflota sobre una capa demoléculas de agua.

Película sobre mezclas y compuestos

O OH H

H

Gamma globulina

HO

La composición y las propiedades de un elemento o compuesto son uniformes en cual-quier parte de una muestra determinada, o en muestras distintas del mismo elemento ocompuesto. Los elementos y compuestos se denominan sustancias (en sentido químico,el término sustancia debe utilizarse solamente para elementos y compuestos). Cuando sedescriben mezclas de sustancias se utilizan los términos disolución o mezcla homogé-nea para mezclas cuyas composición y propiedades son uniformes en cualquier parte deuna muestra determinada, pero pueden variar de una muestra a otra. Una determinada di-solución acuosa de sacarosa (azúcar de caña) tiene un dulzor uniforme en cualquier par-te de la disolución, pero el dulzor de otra disolución de sacarosa puede ser muy distintosi las proporciones de azúcar y agua son diferentes. El aire ordinario es una mezcla ho-mogénea de varios gases, principalmente los elementos nitrógeno y oxígeno. El agua delmar es una disolución de los compuestos agua, cloruro de sodio (sal) y muchos otros. Lagasolina es una mezcla homogénea o disolución de docenas de compuestos.

En las mezclas heterogéneas, como la formada por arena y agua, los componentes seseparan en zonas diferenciadas. Por tanto, la composición y las propiedades físicas varí-an de una parte a otra de la mezcla. Una salsa para ensalada, una losa de hormigón y unahoja de una planta son todos ellos heterogéneos. Generalmente, es fácil distinguir las mez-clas heterogéneas de las homogéneas. La Figura 1.3 muestra un esquema para clasificarla materia en elementos y compuestos y en mezclas homogéneas y heterogéneas.

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Separación de mezclasLos componentes de una mezcla pueden separarse mediante transformaciones físicas ade-cuadas. Pensemos otra vez en la mezcla heterogénea de arena y agua. Cuando echamos estamezcla en un embudo provisto de un papel de filtro poroso, el agua líquida pasa a su tra-vés y la arena queda retenida en el papel. Este proceso de separación, de un sólido del lí-quido en el que se encuentra en suspensión, recibe el nombre de filtración. (Figura 1.4a).Es probable que utilice este procedimiento en el laboratorio. Por otra parte, no se puedeseparar una mezcla homogénea (disolución) de sulfato de cobre(II) en agua por filtraciónporque todos los componentes pasan a través del papel. Sin embargo, podemos hervir ladisolución de sulfato de cobre(II) en agua. El agua líquida pura se obtiene del vapor libe-rado al hervir la disolución. Cuando se ha separado toda el agua, el sulfato de cobre(II) per-manece en el recipiente. Este proceso se denomina destilación (Figura 1.4b).

Otro método de separación disponible para los químicos modernos se basa en la dis-tinta capacidad de los compuestos para adherirse a las superficies de varias sustancias só-lidas, como el papel o el almidón. Este es el fundamento de la técnica de cromatografía.La separación de la tinta en un filtro de papel (Figura 1.4c-d) ilustra los impresionantesresultados que se pueden obtener con la la técnica de cromatografía.

Descomposición de compuestosUn compuesto químico mantiene su identidad durante las transformaciones físicas peropuede descomponerse en sus elementos constituyentes por medio de transformaciones quí-micas. Es más difícil llevar a cabo la descomposición de un compuesto en sus elementosconstituyentes que la mera separación física de las mezclas. La extracción del hierro de

1.4 Clasificación de la materia 7

(a)

(c)

(b)

(d)

Película sobre cro-matografía en papel dela tinta

N FIGURA 1.4Ejemplo de transformación física: separación de mezclas(a) Separación de una mezcla heterogénea por filtración: elsulfato de cobre(II) sólido queda retenido en el filtro de papel.(b) Separación de una mezcla homogénea por destilación: elsulfato de cobre(II) permanece en el matraz de la izquierdacuando el agua pasa al matraz de la derecha por evaporación yposterior condensación a líquido. (c) Separación de loscomponentes de la tinta utilizando cromatografía: puedeobservarse una mancha de tinta negra justo encima de la líneadel agua que asciende por el papel. (d) El agua ha disuelto loscomponentes coloreados de la tinta, que quedan retenidos enzonas diferentes del papel según su distinta tendencia a adherirsesobre él.

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los minerales de óxido de hierro requiere un alto horno. La obtención de magnesio a par-tir de cloruro de magnesio a escala industrial requiere electricidad. Generalmente es másfácil convertir un compuesto en otros compuestos mediante reacción química, que sepa-rar un compuesto en sus elementos constituyentes. Por ejemplo, cuando se calienta el di-cromato de amonio se descompone, formándose las sustancias óxido de cromo(III),nitrógeno y agua. Esta reacción, que se utilizaba en las películas para simular un volcán,se muestra en la Figura 1.5.

Estados de la materiaLa materia suele encontrarse en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas. En un sóli-do, los átomos o moléculas están en contacto próximo, a veces en disposiciones muy or-ganizadas que se llaman cristales. Un sólido ocupa un volumen de forma definida. En unlíquido, los átomos o moléculas están generalmente separados por distancias mayores queen un sólido. El movimiento de estos átomos o moléculas proporciona al líquido una desus propiedades más características: la capacidad de fluir cubriendo el fondo y adoptan-do la forma del recipiente que lo contiene. En un gas las distancias entre átomos o molé-culas son mucho mayores que en un líquido. Un gas siempre se expande hasta llenar elrecipiente que lo contiene. Dependiendo de las condiciones, una sustancia puede existirsólo en uno de los estados de la materia, o puede estar en dos o tres estados. Así, cuandoel hielo de una charca empieza a fundirse en primavera, el agua está en dos estados, el só-lido y el líquido (realmente en tres estados, si tenemos en cuenta el vapor del agua del aireen contacto con la charca).

La Figura 1.6 compara los tres estados de la materia desde dos puntos de vista distin-tos. El punto de vista macroscópico se refiere a cómo percibimos la materia con nuestrosojos, a través de la apariencia externa de los objetos. El punto de vista microscópico des-cribe la materia como los químicos la conciben: en función de los átomos y moléculas yde su comportamiento. En este texto describiremos muchas propiedades macroscópicasobservables de la materia, pero para explicar estas propiedades frecuentemente volvere-mos nuestra vista al nivel atómico o molecular; es decir, al nivel microscópico.

1.5 Medida de las propiedades de la materia. Unidades SILa química es una ciencia cuantitativa. Esto significa que en muchos casos podemos me-dir una propiedad de una sustancia y compararla con un patrón que tenga un valor cono-cido de la propiedad. Expresamos la medida como el producto de un número y unaunidad. La unidad indica el patrón con el que hemos comparado la cantidad medida.Cuando decimos que la longitud del campo de fútbol es de 100 yardas, queremos decir queel campo es 100 veces más largo que un patrón de longitud llamado yarda (yd). En estasección introduciremos algunas unidades básicas de medida que son importantes para losquímicos.

El sistema científico de medidas se llama Système Internationale d’Unités (SistemaInternacional de Unidades) y de forma abreviada SI. Es una versión moderna del sistemamétrico, un sistema basado en la unidad de longitud llamada metro (m). El metro se definió originalmente como la diezmillonésima parte de la distancia del Ecuador al PoloNorte. Esta longitud se trasladó a una barra metálica conservada en París. Desafor-tunadamente, la longitud de la barra está sometida a cambios con la temperatura y no pue-de reproducirse exactamente. El sistema SI sustituye la barra patrón del metro por unamagnitud que puede reproducirse en cualquier sitio: 1 metro es la distancia recorrida porla luz en el vacío en 1/299 792 458 de un segundo. La longitud es otra de las siete mag-nitudes fundamentales del sistema SI (véase la Tabla 1.1). Cualquier otra magnitud tieneunidades que se derivan de estas siete. El sistema SI es un sistema decimal. Las magni-tudes que difieren de la unidad básica en potencias de diez se indican por medio de pre-fijos escritos antes de la unidad básica. Por ejemplo, el prefijo kilo significa mil veces (103)

8 Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida

▲ FIGURA 1.5Ejemplo de transformaciónquímica: descomposición deldicromato de amonio

N La información que no esnumérica, como el color azul, esinformación cualitativa.

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1.5 Medida de las propiedades de la materia. Unidades SI 9

Animación sobre lasfases del agua

(b) (c)(a)

▲ FIGURA 1.6 Los aspectos macroscópico y microscópico de la materiaLa fotografía muestra una laguna helada con los tres estados de la materia, tal como lospercibimos desde el punto de vista macroscópico: (a) hielo (agua sólida), (b), agua líquida y (c) agua gaseosa. Dentro de los círculos se muestra cómo conciben los químicos estos estadosdesde el punto de vista microscópico. En el hielo (agua sólida) hay una estructura de moléculas de agua con un empaquetamiento bastante compacto, cada molécula consta de unátomo de oxígeno y dos de hidrógeno. En el agua líquida las unidades son moléculas de aguabastante móviles. La forma gaseosa del agua está formado por moléculas de agua muy separadasentre sí.

TABLA 1.1 Magnitudes básicas SI

Magnitud física Unidad Abreviatura

Longitud metro mMasa kilogramo kgTiempo segundo sTemperatura kelvin KCantidad de sustanciaa mol molIntensidad de corriente eléctricab amperio AIntensidad luminosac candela cd

a El mol se introduce en la Sección 2.7.b La intensidad de corriente eléctrica se describe en el Apéndice B y en el Capítulo 21.c La intensidad luminosa no se describe en este texto.

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la unidad básica y se abrevia por k. Así un kilómetro=1000 metros o 1 km=1000 m.La Tabla 1.2 muestra los prefijos SI.

La mayor parte de las medidas de la química se hacen en unidades SI. Algunas vecesdebemos convertir unas unidades SI en otras unidades SI, como cuando se convierten ki-lómetros a metros. Otras veces debemos convertir medidas expresadas en unidades que noson SI en unidades SI, o viceversa. En todos estos casos debemos utilizar un factor de con-versión o una serie de factores de conversión, en un esquema denominado secuencia deconversión. En las secciones siguientes se verá cómo se resuelven problemas utilizandouna secuencia de conversión. Este método de resolución de problemas se describe con másdetalle en el Apéndice A.

MasaMasa es la cantidad de materia de un objeto. En el sistema SI, el patrón de masa es un ki-logramo (kg), que es una unidad bastante grande para la mayoría de las aplicaciones quí-micas. Más frecuentemente utilizamos la unidad gramo (g), que es aproximadamente lamasa de tres pastillas de aspirina.

Peso es la fuerza con que la gravedad actúa sobre un objeto. Es directamente propor-cional a la masa, como se muestra en las ecuaciones siguientes.

W r m y W=g . m (1.1)

Un objeto material tiene una masa constante (m), que no depende de cómo o en dónde semida. Por otra parte, su peso (W) puede variar debido a que la aceleración de la gravedad(g) varía un poco de unos puntos de la Tierra a otros. Así, un objeto que pesa 100,0 kg enSan Petersburgo (Rusia), pesa sólo 99,6 kg en Panamá (alrededor de un 0,4 por ciento me-nos). El mismo objeto pesaría sólo unos 17 kg en la luna. Aunque el peso varía de un lu-gar a otro, la masa del objeto es la misma en los tres lugares. Con frecuencia los términospeso y masa se utilizan de forma intercambiable, pero solamente la masa es la medida dela cantidad de materia. Un dispositivo habitual en el laboratorio para medir la masa es labalanza.

El principio que se utiliza en la balanza es el de contrarrestar la fuerza con que actúala gravedad sobre una masa desconocida con una fuerza de igual magnitud que puede me-dirse con precisión. En los modelos antiguos de balanzas, esto se consigue a través de lafuerza de gravedad, que actúa sobre objetos llamados pesas cuya masa se conoce con pre-cisión. En los tipos de balanzas más frecuentes hoy en día en los laboratorios, las balan-zas electrónicas, la fuerza que contrarresta a la gravedad es una fuerza magnética producidapor el paso de una corriente eléctrica a través de un electroimán. Primero se equilibra labalanza cuando no hay ningún objeto sobre el plato. Cuando el objeto a pesar se colocaen el plato, la balanza se desequilibra. Para recuperar el equilibrio se debe hacer pasar porel electroimán una corriente eléctrica adicional. La magnitud de esta corriente adicionales proporcional a la masa del objeto que se está pesando y se establece su equivalencia conuna lectura de masa que aparece en la escala de la balanza.

10 Capítulo 1 Las propiedades de la materia y su medida

TABLA 1.2 Prefijos SI

Múltiplo Prefijo

exa (E)peta (P)tera (T)giga (G)mega (M)kilo (k)hecto (h)

10 deca (da)deci (d)centi (c)milli (m)micro (�)a

nano (n)pico (p)femto (f)atto (a)

a Letra griega m.

10-1810-1510-1210-910-610-310-210-1

102103106109101210151018

N El símbolo r significa “pro-porcional a” y puede ser reem-plazado por el signo igual y una constante de proporcional-idad. En la expresión (1.1) laconstante de proporcionalidad es la aceleración debida a la gravedad, g. Véase el Apéndice B.

Actividad sobre los pre-fijos SI

N Una balanza electrónica.

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