Tema 1. La materia y su composición

• 1.1. La química y el método científico.

• 1.2. La materia y sus propiedades.

• 1.3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

• 1.4. La medida de las propiedades materiales.

1. La química y el método científico

¿Por qué química?

P. ej.: Generación de ATP

1. La química y el método científico

¿Por qué química?

P. ej.: Generación de ATP

¿Cuál es la composición de las moléculas implicadas?

¿Por qué adopta una forma determinada?

¿Por qué se ancla a la membrana de la mitocondria?

¿Cuál es el papel de la enzima?

¿Por qué el ATP es una buena fuente de energía?

¿Cómo se puede generar una molécula más energética?

Estructura química

Fuerzas intramoleculares

Fuerzas intermoleculares

Cinética química

Enlace químico

Termoquímica

La ciencia se diferencia de otros campos del saber por el método que utilizan los científicos para adquirir conocimientos. El método científico es la combinación de las observaciones y los experimentos junto con la formulación de leyes, hipótesis y teorías.

1. La química y el método científico

TEORÍA (o modelo) que amplía la

hipótesis y proporciona predicciones

OBSERVACIÓN natural o

experimental

Se establece la teoría a no ser que nuevos experimentos u observaciones indiquen

fallos

Se modifica la teoría si los experimentos

muestran que no es adecuada

Experimentos para probar las

PREDICCIONES de la teoría

Se revisan los experimentos si muestran que la

hipótesis no es

adecuada

Propuesta de explicación: HIPÓTESIS

Generalización o Ley Natural

Experimentos

diseñados para COMPROBAR la

hipótesis

2. La materia y sus propiedades

La química es la ciencia que trata de la composición y propiedades de la materia.

Es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella.

• Materia es todo lo que ocupa espacio, tiene masa e inercia.

• Composición se refiere a las partes o componentes de una muestra de materia y a sus proporciones relativas. Por ejemplo: H2O, 11,9% H y 88,81% O.

• Propiedades se refiere a cualidades que permiten distinguir una muestra de materia de otra. Ej. Color. Las propiedades se agrupan en dos categorías: propiedades físicas y propiedades químicas.

2. La materia y sus propiedades

Propiedades físicas de azufre y cobre

El cobre es dúctil y maleable. El azufre es frágil.

Una propiedad física es la que tiene una muestra de materia mientras no cambie su composición (Ej. dúctil y maleable). Otras propiedades físicas pueden ser la capacidad para conducir el calor y la electricidad.

Propiedades físicas y químicas

Propiedades físicas y químicas

En una transformación física pueden cambiar algunas de las propiedades físicas de la muestra pero su composición permanece inalterada.

(Ej. hielo → agua → vapor)

Au no reacciona con HCl

Zn reacciona con HCl

2. La materia y sus propiedades

Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2

Au + HCl →

En una transformación o reacción química una o más muestras de materia se convierten en nuevas muestras con composiciones diferentes. Una transformación química implica un cambio en la composición.

Una propiedad química es la capacidad (o incapacidad) de una muestra de materia para experimentar un cambio en su composición en determinadas circunstancias.

• Una sustancia o especie química es una forma de materia que tiene una composición constante y distintiva: es la misma en cualquier parte de una muestra o en muestras distintas.

• En general, la materia está formada por átomos. En la actualidad existen 117 tipos diferentes de átomos.

• Un elemento químico es una sustancia formada solamente por un sólo tipo de átomo.

• Los compuestos químicos son sustancias en las átomos de diferentes elementos se encuentran combinados entre sí.

• Una molécula es la entidad más pequeña posible en la que se mantienen las mismas proporciones de los átomos constituyentes que en el compuesto químico.

Gamma globulina

3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

• Los elementos y compuestos son sustancias (o especies químicas).

• Una mezcla es una agregación de dos o más sustancias en proporciones no definidas y en la que éstas conservan sus propiedades. (P. ej. agua con sal, aire). Tras cualquier mezcla seguiremos teniendo las sustancias que agregamos y en las mismas cantidades, no tendremos ninguna sustancia nueva.

• Si la composición y propiedades de la mezcla son uniformes en cualquier parte de una muestra se denomina una mezcla homogénea.

• En las mezclas heterogéneas la composición no es uniforme.

¿Homogéneo o heterogéneo? La leche homogeneizada cuando se ve a través de un microscopio consiste en gotas de grasa dispersas en un medio acuoso. La leche homogeneizada es una mezcla heterogénea

3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

Materia

Sustancia

Elemento Compuesto

Mezcla

Heterogénea Homogénea

(disoluciones)

¿Pueden separarse

por un proceso

físico?

No Sí

¿Pueden

descomponerse por

un proceso químico?

No Sí

¿Es totalmente

uniforme?

No Sí

3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

a) Filtración b) Destilación c) Cromatografía

3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

Separación de mezclas

Mezcla para separar Sustancias para ser separadas disueltas

en líquido

Líquido puro

A B C

La columna contiene una sustancia

absorbente que tiene distinta afinidad por los componentes de

la mezcla

Se recogen las distintas fracciones de la columna

que contienen los componentes de la mezcla

ya separados.

3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

Separación de mezclas

Cromatografía

• Un compuesto químico puede descomponerse en sus elementos constituyentes por medio de transformaciones químicas (ejemplo, extracción de hierro de los minerales de óxido de hierro).

• Una combinación es un fenómeno químico, en el que a partir de dos o más sustancias se puede obtener otra (u otras) con propiedades diferentes. Para que tenga lugar, debemos agregar las sustancias a combinar en cantidades perfectamente definidas, y para producirse efectivamente la combinación se necesitará liberar o absorber calor (intercambio de energía).

3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

Descomposición de compuestos

(a) Sólido (b) Líquido (c) Gas

3. Especies químicas. Elementos y compuestos. Mezcla y combinación.

Estados de la materia

Magnitudes básicas o fundamentales del Sistema Internacional

Magnitud física Unidad Abreviatura

Longitud metro m

Masa kilogramo kg

Tiempo segundo s

Temperatura kelvin K

Cantidad de sustancia mol mol

Intensidad de corriente eléctrica amperio A

Intensidad luminosa candela cd

La química es una ciencia cuantitativa. Se emplea el Sistema Internacional de Unidades (SI)

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

Masa

Masa es la cantidad de materia que tiene un objeto. En el SI, su unidad es el kg, aunque usamos con mucha frecuencia el gramo, g.

¡No confundir masa con peso!

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

Tiempo En el SI, su unidad es el segundo, s

Temperatura La unidad del SI es el Kelvin (K) (escala absoluta) T (K) = t (°C) + 273,15

Cantidad de sustancia Se utiliza el mol, que es la cantidad de una especie química que contiene un número de componentes individuales igual al número de átomos que hay en 12 g de 12C, y que es igual al número de Avogadro: 6,02214179 × 1023 unidades.

Unidades derivadas

• Muchas propiedades se expresan mediante combinaciones de las magnitudes básicas o fundamentales. Las unidades de estas propiedades se denominan unidades derivadas.

• Ejemplos:

Velocidad: longitud/tiempo. Unidad: m/s

Volumen: longitud3. Unidad: m3 (normalmente, en litros(l) o mililitros (ml, cm3))

Densidad: masa/volumen. Unidad: kg/m3 (normalmente en g/l o gramos/ml)

• La masa y el volumen son magnitudes extensivas (dependen de la cantidad de materia observada).

• La densidad es una magnitud intensiva (independiente de la cantidad de materia observada).

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

Prefijos SI ( > 1 )

Múltiplo Prefijo

1018 exa (E)

1015 peta (P)

1012 tera (T)

109 giga (G)

106 mega (M)

103 kilo (k)

102 hecto (h)

10 deca (da)

El Sistema Internacional es un sistema decimal. Las magnitudes que difieren de la unidad básica en potencias de 10 se indican con un prefijo delante de la unidad, mg (miligramo), nm (nanometro), etc. Si usamos otras unidades que no corresponden al SI, usaremos factores de conversión para ver la equivalencia, en un esquema de conversión.

Prefijos SI ( < 1 )

Múltiplo Prefijo

10-1 deci (d)

10-2 centi (c)

10-3 mili (m)

10-6 micro (μ)

10-9 nano (n)

10-12 pico (p)

10-15 femto (f)

10-18 atto (a)

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

La incertidumbre de la medida

• Todas las medidas están sometidas a error.

• Errores accidentales: P. ej. limitación al leer una escala o al usar un instrumento.

• Errores sistemáticos: Errores producidos por el propio instrumento. P. ej. un termómetro podría dar sistemáticamente lecturas 2 C más bajas.

Se definen:

• Precisión: Reproducibilidad de la magnitud medida cuando la misma magnitud se mide varias veces.

• Exactitud: Se refiere a la proximidad de una medida al valor “real”.

a)

b)

c) a) Gran precisión y gran exactitud b) Poca precisión y gran exactitud c) Gran precisión y poca exactitud

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

Precisión

Reproducibilidad: ±0,1g ±0,0001g Precisión: Baja Alta

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

• El número de cifras significativas es una indicación de la capacidad del dispositivo de medida y de la precisión de las medidas.

• Para determinar el número de cifras significativas:

1. Todo dígito distinto de cero, es significativo.

2. Los ceros entre dígitos son significativos.

3. Los ceros a la izquierda no son significativos: pueden eliminarse cambiando de unidad.

4. Si un número es mayor que 1, todos los ceros escritos detrás del punto decimal son significativos.

5. Si un número es menor que 1, sólo los ceros escritos detrás del último dígito distinto de cero son significativos.

Número Cifras significativas 6,290 g 4 0,00348 g 3 9,0 2 1,0 10-8 2 100 g 3 = 3,14159 6

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

Cifras significativas

Notación científica

Cálculos numéricos

• Sumas o rectas: El resultado debe expresarse con el mismo número de cifras decimales que la magnitud con menos cifras decimales.

1,14

0,6

+ 11,676

13,416 → 13,4

• Multiplicación y división: El resultado debe expresarse con el mismo número de cifras significativas que la magnitud con menos cifras significativas.

0,01208 / 0,236 = 0,0512 = 5,12 10-2

• Redondeo: Si queremos que nuestro resultado presente 3 cifras significativas, se aumenta el tercer dígito si el cuarto dígito es 5.

• Los números que proceden de contar o son factores, o aquellos que tienen un número limitado de cifras por definición no se tienen en cuenta en el cálculo de cifras significativas.

• Las constantes físicas o matemáticas se deben usar con, al menos, una cifra significativa más que el dato con menos cifras significativas.

4. La medida de las propiedades materiales. El Sistema Internacional.

Cifras significativas