La Química es una actividad encaminada al estudio de las características y propiedades de la materia y su transformación para la obtención de satisfactores para la humanidad, por lo que es del dominio público. El impacto de la ciencia química sobre la agricultura en donde los fertilizantes, reguladores del crecimiento de las plantas, insecticidas y complementos alimenticios para animales, ha producido sorprendentes mejorías. En la industria, constantemente, han aparecido mejores fibras sintéticas, aleaciones más fuertes, mejores alimentos y drogas más efectivas.
El estrecho vínculo entre ciencia química y tecnología, ha dado resultados tan sorprendentes que es imposible predecir que se inventará enseguida.
Los avances logrados por el hombre a través de los siglos, se han efectuado siguiendo un proceso acumulativo y gradual y a veces de modo muy rápido, como sucede actualmente.
El hombre primitivo no conocía más de lo que le proporcionaba sus sentidos. Superó esto, aprendiendo lo relacionado con su medio, observando y conservando lo que le era útil y desechando lo dañino; y, transmitiendo los conocimientos adquiridos a sus semejantes.
Básicamente la Química forma parte fundamental del conocimiento humano que con el paso del tiempo se ha ampliado lo suficiente como para decir que gracias a la ciencia que conocemos como Química logramos entender como funcionan muchas de las cosas que nos rodean. Por ejemplo: las computadoras, que son las herramientas principales en muchos negocios, ya sea para llevar las cuentas de contabilidad, o para llevar el control de pagos de nóminas, se basan fundamentalmente, en impulsos eléctricos, que son los que, con una determinada orden nos dan la información en forma de códigos, que fluyen por un conductor -el cual es un elemento de la naturaleza transformado por el hombre- para llevar a cabo dicha función y obtener en una pantalla de televisión (el monitor) la información que nosotros deseamos. Más común y cotidiano es el uso del cloruro de sodio en la cocina de todas las familias, que no es otra cosa que la sal común con que sazonamos nuestros alimentos. Podríamos dar un y mil ejemplos que nos hacen ver que la química, como otras ciencias, son de uso común y cotidiano, y que con el paso del tiempo nos es indiferente por ser precisamente común y cotidiano.
MATERIA Y ENERGIA
INTRODUCCIÓN
En la unidad anterior se estableció que la Química estudia las transformaciones que sufre la materia y la energía, pero para poder entender este concepto, es necesario saber el significado de materia y el de energía; aunque estas sean palabras que cotidianamente utilizamos es muy probable que no conozcamos su significado, por eso la importancia de esta unidad, nos ayudará a entender como es la materia desde un aspecto macroscópico; pero también de que manera se ve afectada por la intervención de la energía en sus distintas formas.
También veremos como en la naturaleza, que forma parte de nuestro medio ambiente, se encuentra integrada por infinidad de sustancias, las cuales se manifiestan de varias maneras, además de presentar diversas propiedades que son características particulares o específicas de las mismas.
Conocerás además el trabajo que el químico hace para obtener sustancias puras a partir de distintas mezclas y los métodos que son básicos en un laboratorio, e incluso en nuestra casa, ya que se manejan de manera cotidiana.
En esta unidad se precisarán conceptos fundamentales que ayudarán a introducirnos en el mundo de la química.
LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES.
MATERIA.
La materia se ha definido como “todo lo que ocupa un lugar en el espacio, tenga masa, peso y pueda medirse”.
Todo lo que constituye el universo es materia
Ejemplos: la mesa, el pizarrón, un lápiz, el aire, nosotros, la computadora, el agua, etc.
La forma más fácil de identificar a la materia es definiendo cada una de sus propiedades.
PROPIEDADES.
1. Propiedades Generales.
La materia tiene siete manifestaciones o propiedades fundamentales, que son:
* Masa
* Peso
* Propiedades generales Divisibilidadde la materia Inercia
* Porosidad
* Elasticidad
* Impenetrabilidad
¿Pero cuál es el significado de cada uno de éstos términos?, veamos enseguida:
Masa: Es la cantidad de materia contenida en un volumen cualquiera. La masa de un cuerpo es la misma en cualquier parte de la tierra o en otro planeta por ejemplo: si un astronauta tiene una masa de 80 Kg en la tierra, esta será la misma que cuando está en la luna.
Peso: Es la acción de la gravedad de la tierra y los astros sobre los cuerpos. Por ejemplo: como la luna tiene una masa menor comparada con la de la tierra, su gravedad también es menor que la de la tierra, y por tanto, un cuerpo pesará más en la tierra que en la luna.
Divisibilidad: Esta propiedad se refiere a que cualquier cuerpo puede dividirse en pedazos más pequeños como partículas, moléculas y átomos. Por ejemplo, las rocas que se rompen y se disgregan formando la arena.
Porosidad: Como sabemos los cuerpos están formados por partículas diminutas a las que se conocen como moléculas; éstas dejan espacios vacíos entre sí que se llaman poros. Por ejemplo: las raíces de las plantas, absorben el agua en donde están disueltas las sustancias nutritivas, por la porosidad de las mismas.
Elasticidad: Esta propiedad se refiere a que los cuerpos pueden cambiar su forma cuando se les aplica una fuerza adecuada y recuperan su forma inicial cuando desaparece la acción de dicha fuerza. La elasticidad tiene un límite, y si ésta se sobrepasa, el cuerpo sufre una deformación permanente o se rompe. Hay cuerpos en los que claramente se observa esta propiedad: una liga, la rama de un árbol, en otros, la elasticidad se nota poco como en el vidrio o en el hueso.
Impenetrabilidad: Un cuerpo ocupa un lugar en el espacio y su lugar no puede ser ocupado al mismo tiempo por otro cuerpo. Por ejemplo, tenemos la raíz de un árbol, la cual puede resquebrajar el pavimento porque la raíz y el suelo, como cuerpos, conservan el espacio que ocupan o si no, toman otro espacio.
2. Propiedades Particulares.
Existen dentro de las propiedades de la materia, las propiedades particulares, las cuales se refieren a las que nos describen ciertas características que son muy particulares para determinados elementos, siendo éstas las propiedades físicas.
Todos los elementos clasificados como metales poseen ciertas propiedades que les son comunes y que, en cierto sentido, describen al metal ideal. Cualquier metal real varía en el grado que posee o manifiesta estas propiedades físicas de un metal ideal. Las propiedades particulares son las siguientes:
* Maleabilidad
* Ductilidad
* Conductividad eléctrica
* Propiedades particulares
* Conductividad calorífica de la materia
* Brillo
* Dureza
* Tenacidad
Maleabilidad: Es la propiedad que tiene el metal de poder aplanarse hasta obtener placas u hojas muy delgadas. El oro es el más maleable de los metales y se puede laminar en hojas tan delgadas que se requerirían 300,000 hojas de este tipo, para obtener un grueso de diez centímetros de alto, lo cual significa que cada hoja tiene un espesor de menos de mil átomos.
Ductilidad: Es la propiedad que tiene el metal para someterse a un proceso de estiramiento y formar alambres muy delgados. El platino se puede estirar convirtiéndolo en un alambre tan fino que no se puede ver a simple vista.
Conductividad eléctrica: El metal conduce la electricidad en sus estados sólidos líquidos, el no metal no manifiesta este tipo de propiedad, y la conductancia eléctrica de un metal es mucho mayor que la de una solución electrolítica. Asimismo, en contraste a la conductancia electrolítica, la conductancia metálica disminuye al aumentar la temperatura. La plata, el cobre, el oro y el aluminio tienen, en este orden, la mayor conductancia entre los metales.
Conductividad calórica: Al igual que la conductividad eléctrica, la conductividad de calor realizada por un metal alcanza grandes proporciones, pero disminuye al aumentarse la temperatura.
Brillo: Es el lustre metálico y lo presentan todas las superficies metálicas, aunque muchos metales se oscurecen por el recubrimiento de óxido que se les forma.
Dureza: La dureza se debe a la fuerza de atracción molecular que le permite conservar su forma.
Tenacidad: Es la resistencia que ofrece un cuerpo a romperse o deformarse, cuando se le golpea o aplica una fuerza, lo contrario de la tenacidad es la fragilidad y como ejemplo de material tenaz, tenemos el fierro y como material frágil tenemos el vidrio.
3. Propiedades específicas.
Son las que nos sirven para diferenciar a un tipo de materia de otra. Por ejemplo el agua que se identifica de otros líquidos por sus propiedades específicas, las cuales son: incolora, inodora, con sabor peculiar y punto de ebullición de 1000C, porque hierve a esa temperatura, su peso específico, es de 1g/cm3, etc. Estas propiedades se subdividen a su vez en propiedades físicas y químicas (fig. 2.1).
Propiedades Físicas: Son las que al manifestarse no cambian las estructuras internas de la materia.
Intensivas: Son las que no dependen de la cantidad de la materia:
a) Densidad: Se define como la cantidad de masa por unidad de volumen a una temperatura dada; según la siguiente relación: d = m / V
b) Punto de fusión: Es la temperatura a la cual un sólido cambia a líquido.
c) Punto de ebullición: Es la temperatura a la cual un líquido pasa a gas.
d) Punto de congelación: En la temperatura a la cual un líquido pasa a sólido.
e) Punto de condensación: Es la temperatura a la cual un gas pasa a líquido.
Extensivas: Son las que dependen de la cantidad de materia:
a) Masa: Se define como la cantidad de materia de un cuerpo.
b) Volumen: Es el espacio que ocupa un cuerpo en forma tridimensional.
c) Longitud: Es la distancia entre dos puntos.
Propiedades Químicas: Son aquellas que al manifestarse cambian la composición química de las sustancias.
a) Combustión: Es la reacción de la materia con el oxígeno, presentando manifestación de energía.
b) Oxidación: Es la reacción de la materia con el oxígeno, sin manifestación de energía.
ENERGÍA Y SUS MANIFESTACIONES.
ENERGÍA.
TIPOS DE ENERGÍA.
Existen únicamente dos tipos de energía mecánica: Cinética y Potencial.
a) Energía cinética: Se define como la energía de movimiento, o sea, es la capacidad para desarrollar trabajo que posee un cuerpo debido a su movimiento, por ejemplo: el agua de una cascada. Esta energía depende de dos factores: la masa del cuerpo y su velocidad.
b) Energía potencial: Es la energía que tiene almacenada un cuerpo en virtud de su posición con respecto a otros cuerpos, por ejemplo: una roca en lo alto de una colina, un cuerpo sostenido a considerable altura por una grúa. En otras palabras esta energía es la que se encuentra disponible para realizar un trabajo.
Cuando la energía potencial se transforma en energía cinética surgen diversas manifestaciones de energía: de activación, calorífica, nuclear, eléctrica, radiante, de enlace y de ionización.
c) Energía de activación: Son las cantidades mínimas de energía necesarias para romper enlaces químicos y provocar una reacción química.
d) Energía calorífica: Es la energía de un cuerpo debido al movimiento interno de sus componentes.
e) Energía nuclear: Es la energía debida a la constitución nucleoatómica, y puede deberse a dos fenómenos: fisión nuclear (rompimiento del núcleo atómico con desprendimiento de energía) y fusión nuclear (que es debido a la unión de los núcleos de dos átomos con desprendimiento de energía).
f) Energía eléctrica: Es la energía debida al flujo de electrones a través de un alambre conductor.
g) Energía radiante: Es la energía característica de todas las radiaciones, por ejemplo: los rayos X, rayos gama, luz solar, ondas de radio, etc.
h) Energía de enlace: Es la energía necesaria para subdividir una molécula, un átomo o un núcleo en sus partículas constitutivas.
i) Energía de ionización: Son las cantidades de energía requerida para separar el electrón del orbital más elevado de un átomo o ión gaseoso en estado basal.
Si observamos a nuestro alrededor nos daremos cuenta que en la naturaleza siempre hay cambios o transformaciones de la materia en algunos casos dan lugar a una nueva materia, mientras que en otros la materia presenta una forma distinta; a continuación explicaremos los diversos tipos de cambios que pueden darse, sus diferencias, y quién provoca dichos cambios.
CAMBIOS DE LA MATERIA A TRAVÉS DE LA ENERGÍA.
Cambios de Estado Físicos de la Materia: Sólido Líquido, y Gaseoso.
La materia está formada por moléculas (de latín: molé, masa, y cula, pequeño). Y las moléculas están formadas por átomos (del griego: a, sin, y tomos, división). Las moléculas están separadas por pequeños espacios intermoleculares. El tamaño de dichos espacios se determina por dos fuerzas que actúan simultáneamente sobre las moléculas: la cohesión y la repulsión. La cohesión hace que las moléculas se junten y la repulsión hace que se separen .
La magnitud de la fuerzas de atracción con respecto a la magnitud de la fuerza de repulsión, es lo que origina que la materia se presente bajo 3 estados:
a) Sólido: Las sustancias en las que predominan la cohesión, las moléculas están juntas; los espacios intermoleculares son muy pequeños, su estado físico o de agregación es sólida. Los sólidos tienen forma propia y volumen determinado.
b) Líquido: Las sustancias en cuyas moléculas están equilibradas la cohesión y la repulsión se presentan en estado líquido. Los líquidos tienen volumen determinado y adoptan la forma del recipiente que los contienen.
c) Gaseoso: Las sustancias en las que predominan la repulsión, tienen sus moléculas muy separadas; los espacios intermoleculares son muy grandes y su estado físico o de agregación es gaseoso. Los gases no tienen volumen determinado ni forma propia, tienden a ocupar todos los espacios que dejan libres los sólidos y los líquidos.
A los 3 estados físicos que presenta la materia también se les conoce como Estados de Agregación de la Materia. Ya dijimos que el estado físico o estado de agregación de las sustancias, está determinado por el tamaño de los espacios intermoleculares; por lo tanto, para hacerlas cambiar de estado, bastará con favorecer la cohesión (disminuir los espacios intermoleculares) o la repulsión (aumentar los espacios intermoleculares). Esto se logra calentando o enfriando las sustancias, o también, aumentando o disminuyendo la presión a la que se encuentran.
Las transiciones de un estado de agregación a otro son llamados cambios físicos de la materia, éstos son:
- Fusión: Es el cambio de estado sólido al líquido, se logra aumentando la temperatura, de esta manera se favorece la repulsión y los espacios intermoleculares aumentan.
- Evaporación: Es el cambio de líquido a gas y se logra calentando o disminuyendo la presión, los espacios intermoleculares aumentan.
- Licuación o condensación: Cambio de gas a líquido; se obtiene al enfriar el gas o aumentar la presión a la que se encuentra, los espacios intermoleculares disminuyen.
- Solidificación: Cambio de líquido a sólido; se obtiene disminuyendo la temperatura; las moléculas se unen más entre sí, los espacios intermoleculares disminuyen.
- Sublimación: Es el paso de sólido a gas y de gas a sólido, sin pasar por la fase líquida, los espacios intermoleculares aumentan.
Pero, ¿cómo se relacionan la masa y la energía?
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA Y LA ENERGÍA.
Unas de las observaciones básicas de la ciencia es que la materia no se aniquila, es decir, se conserva y hay propiedades que son inalterables; por ejemplo: la cantidad de materia y de energía son permanentes, este hecho es muy útil en química, y se expresa en las leyes de conservación de la masa y de la energía.
Ley de la Conservación de la Masa.
En una reacción química, la masa total de los productos es igual a la masa total de los reactivos, por ejemplo: suponga que tiene 18 gramos de agua que se descomponen
(corriente eléctrica) en hidrógeno y en oxígeno, estos gases se pesan y veremos que hay 2 gramos de hidrógeno y 16 gramos de oxígeno:
Lo mismo puede decirse en un cambio físico, si congela 18 gramos de agua, obtendremos que el hielo también pesa 18 gramos:
Agua (líquida) Agua (hielo)
18 g 18 g
Por todo esto podemos enunciar a la ley diciendo:
"La masa no se crea ni se destruye solo se transforma", dicha ley fue enunciada por Antonio Lorenzo Lavoisier.
Ley de la Conservación de la Energía.
Generalmente un cambio químico va acompañado por un cambio físico, y a todo cambio químico o físico siempre le acompaña un cambio de energía. Este comportamiento está expresado en la Ley de la conservación que expresa:
"La energía no se crea ni se destruye solo se transforma".
CONCEPTO DE ELEMENTO, COMPUESTO Y MEZCLA.
La materia la podemos encontrar en forma pura, como elemento, compuesto o en forma de mezclas de sustancias. Para distinguir entre uno y otro tipo de materia a continuación las definimos:
ELEMENTO.
Se define como una sustancia pura e indivisible por cualquier método químico, ya que estos, están compuestos por átomos con el mismo número atómico y que presentan las mismas propiedades; es decir son de la misma clase. Ejemplos: Na, K, Cs, Au, Ag, O, N.
COMPUESTO.
Se define como la unión de dos o más elementos, que se pueden separar por métodos químicos sencillos y no por métodos mecánicos o físicos, y que además presentan características propias y diferentes a las de los elementos de donde proviene. Un compuesto puede ser:
a) Binario: Que está formado por dos elementos diferentes. Ejemplos:
H2O, HCl, CCl4
b) Terciario: Están formados por 3 elementos diferentes. Ejemplos:
H2SO4 , CaSO4 , CaCO3
c) Cuaternario: Son los que están formados por cuatro elementos. Ejemplos:
NaHCO3 , KHSO4 , NaHPO4
MEZCLA.
Es la unión de dos o más sustancias o compuestos que se pueden separar por métodos mecánicos o físicos, y que además los componentes no pierden sus propiedades. Por ejemplo: unión de sal y arena; la unión de café, agua y azúcar; la unión de la jícama, la naranja y la sandía para formar el “pico de gallo”; en cada uno de los ejemplos podemos observar que cada uno de los componentes los podemos separar si así lo deseamos; pero antes de conocer como se separan es conveniente diferenciar entre dos tipos diferentes de mezclas. Las homogéneas y las heterogéneas. La diferencia es que en las homogéneas no puedes distinguir entre los componentes de las mezclas, y en las heterogéneas se pueden distinguir sus componentes. Por ejemplo: una mezcla homogénea puede ser una limonada, y en ella no se distingue entre el jugo de limón y el azúcar. Otro ejemplo es el agua de mar, donde no se distingue entre la sal y el agua, pero su sabor se sabe que está salada, y no pierde sus propiedades. Una mezcla heterogénea, se tiene en el agua y el aceite, los frijoles en el agua hirviendo, etc.
En el siguiente apartado aprenderás que métodos son los más utilizados para separar
mezclas, y que dichos métodos dependen del tipo de mezcla que tengamos.
MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS.
Existen muchas formas para separar una mezcla, pero las más usuales son: decantación, filtración, evaporación, destilación, sublimación, centrifugación, mecánicos, diferencia de solubilidad y cromatografía. DIFERENCIA DE SOLUBILIDAD.
La diferencia de solubilidad es un método que nos permite separar sólidos de líquidos, o líquidos de líquidos al contacto con un solvente que selecciona uno de los componentes de la mezcla. Este componente es soluble en el solvente adecuado y es arrastrado para su separación ya sea por decantación, filtración, vaporización, destilación, etc. que habrá de dejarlo en estado puro.
CROMATOGRAFÍA.
La cromatografía es un método que consiste en separar mezclas de gases o de líquidos por el paso de éstas a través de un medio poroso y adecuado, con la ayuda de solventes. El equipo para tal operación puede ser tan simple como una columna rellena, un papel o una placa que contiene el medio poroso o un equipo tan sofisticado como un cromatógrafo.
Por medio de este proceso se separan y analizan mezclas de: aire, productos extraídos de plantas, animales etc., o bien de productos elaborados tales como tintas, lápices labiales, etc.
Como podrás darte cuenta cada, uno de los métodos que se utilizan para separar las mezclas depende del tipo o características que presentan sus componentes. Por lo general en el laboratorio usamos los distintos métodos de manera combinada, es decir podemos usar más de un método durante un mismo proceso.
EJERCICIOS
I. INSTRUCCIONES: Elige la respuesta correcta de las 4 opciones de respuesta que se te presentan en cada reactivo y escribe dentro del paréntesis que le antecede, la clave de la opción que consideres correcta.
( ) Las partículas que componen a un sólido:
abc) Tienen posiciones fijas y están tan juntas que no pueden vibrar
bbc) Tienen posiciones variables y se desplazan de un punto a otro
cbc) Tienen posiciones fijas y pueden vibrar alrededor de esos puntos fijos
dbc) Son muy grandes por lo que su fuerza de atracción es muy grande
( ) ¿ Cómo se llama la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento?
abc) Potencial
bbc) Cinética
cbc) Calorífica
dbc) Potencial elástica
( ) Se llama así a los espacios entre una molécula y otra.
abc) Intermoleculares
bbc) Internucleares
cbc) Interatómicos
dbc) interpartículas
( ) Es el estado de agregación que presenta la materia cuando su fuerza de cohesión y repulsión están equilibradas.
abc) Vapor
bbc) Sólido
cbc) Líquido
dbc) Gaseoso
( ) ¿ Cómo se le llama al proceso mediante el cual un sólido pasa a gas, sin pasar por la fase líquida?
abc) Licuación
bbc) Evaporación
cbc) Fusión
dbc) Sublimación
( ) Cuando el agua sólida (hielo) se transforma en agua líquida, decimos que ha sufrido una . . .
abc) Evaporación
bbc) Condensación
cbc) Fusión
dbc) Sublimación
( ) ¿ Cómo se llama la energía mínima necesaria para romper enlaces químicas?
abc) Calorífica
bbc) De activación
cbc) Nuclear
dbc) De enlace
( ) ¿ Cómo se llama la resistencia que ofrece un cuerpo a romperse o deformarse cuando se golpea?
abc) Dureza
bbc) Ductilidad
cbc) Tenacidad
dbc) Impenetrabilidad
( ) ¿Qué método utilizarías para separar una mezcla de agua y azúcar?
abc) Sublimación
bbc) Centrifugación
cbc) Diferencia de solubilidad
dbc) Destilación
( ) Con este método podemos separar sólidos de grano muy fino de difícil sedimentación.
abc) Cromatografía
bbc) Centrifugación
cbc) Evaporación
dbc) Destilación
II. INSTRUCCIONES: De las sustancias que se enlistan a continuación, escribe en la línea si se trata de una mezcla, compuesto o elemento.
Oro ...................................._________________
Sal de cocina......................_________________
Agua de mar......................._________________
Oxígeno.............................._________________
Aire....................................._________________
Limonada............................_________________
Ácido clorhídrico................._________________
III. INSTRUCCIONES: A la derecha de cada enunciado aparece una línea en donde escribirás si se trata de un fenómeno físico (FF) o químico (FQ):
1. La oxidación de un clavo.............................. _____
2. La formación de nubes................................. _____
3. La formación de hielo.................................... _____
4. Un papel quemándose.................................. _____
5. La formación de una sustancia verde en la... _____
superficie de una pulsera de cobre.
