Fundamentos de Química

Proyecto FECINCA
Por: MSc. Luis Enrique Santos
Concepto de Química
Clasificación de la Materia
Estados de la Materia
Cambios de Estado
Propiedades de la Materia
Transformaciones de la Materia
Fundamentos
de Química

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¿Qué es Química?
Antes de proseguir con el curso será necesario que establezcamos una definición científica de lo que es química:
Química es la ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica y molecular.

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¿Qué es Química?
La química, la física y la biología son ciencias que estudian la estructura, propiedades y transformaciones de la materia , pero lo hacen bajo parámetros diferentes.

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¿Qué es Química?
Es la parte final de esta definición, la que diferencia a la química del resto de las ciencias naturales

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¿Qué es Química?
Veamos los parámetros bajo los cuales la Química estudia la materia:
“La composición atómica y molecular de la materia” se refiere a las interacciones de la materia del orden que va de los nanómetros a los fentómetros, lo cual delimita el campo de estudio de la Químicaa estas dimensiones.

¿Qué es Química?
Recordemos lo que es un nanómetro, viendo la tabla de equivalencias que ya debe poseer en sus manos:
Al hablar del nanómetro, empleamos el prefijo “nano” que tiene como factor: 10-9
Nos referimos entonces a la milmillonésima parte de un metro:
1nm = 0.000000001 m
= 1x10-9 m

¿Qué es Química?
Y que pasa con los fentómetros:
Un fentómetro, utiliza el prefijo “fento” que tiene como factor: 10-15
Así que un fentómetro equivale a la billonésima parte de un metro:
1pm = 0.000000000001 m
= 1x10-12 m

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¿Qué es Química?
Para entenderlo mejor esto veamos un ejemplo en que analicemos las dimensiones involucradas.
Iniciaremos explorando materia vegetal en dimensiones que le corresponden al campo de estudio de la Biología

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¿Qué es la química?
Sub-multiplos
Comencemos con lo que nuestros ojos pueden apreciar al estar a un metro de distancia de un árbol y vamos acercándonos cada vez más
1 Metro (1 m)
A esta distancia observamos: Las hojas y ramas de un árbol

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Sub-multiplos
Ahora acerquémonos un poco más, hasta estar a unos 10 cm de distancia…es decir un decímetro
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
Ahora vemos en detalle una sola hoja

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Sub-multiplos
Vamos 10 veces más cerca…es decir a 1 cm de distancia
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
Distinguimos ahora las estructuras de la superficie de la hoja

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Sub-multiplos
A 1mm de distancia (0.001m) veremos aun más detalles de la hoja
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
Nos encontramos aun en el campo de la Biología

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Sub-multiplos
Con una lupa podemos ver detalles de 0.0001 m y observar células vegetales
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)

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Sub-multiplos
Si empleamos un microscopio logramos una imagen de 0.00001 m viendo ahora las células individuales
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)

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Sub-multiplos
Vemos el núcleo celular aparecer al llegar a 1 μm de distancia es decir 0.000001 m =1x10-6 m
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Micrometro (1 µm)

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Sub-multiplos
A 1x10-7 m vemos la estructura conocida como cromatina que esta dentro del núcleo celular
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
Sigue siendo campo de estudio de la Biología

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Sub-multiplos
La famosa doble hélice del ADN es visible a 1x10-8 m
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
Acercándonos más con el microscopio…

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Sub-multiplos
En adelante entraremos al campo de la química
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
Hemos llegado al limite del campo de estudio de la Biología

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Sub-multiplos
Las moléculas que forman el ADN son visibles al llegar a 1x10-9 m es decir 1 nm
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
La visión molecular del ADN es parte de la Bioquímica

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Sub-multiplos
La nube de electrones de un átomo de carbono del ADN es visible a 1x10-10 m
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
En estas dimensiones la Química es la ciencia aplicable
Aquí el átomo parece una esfera sólida

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Sub-multiplos
A 1x10-11 m nos adentramos en la nube de electrones
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
Atravesamos capa, tras capa de electrones

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Sub-multiplos
Al llegar a 1x10-12 m es decir un picómetro, vemos a lo lejos el núcleo atómico
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
1 Picometro (1 pm)
Un gran espacio vacio aparece entre cada capa de electrones

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Sub-multiplos
Ahora vemos a 1x10-13 m que el núcleo atómico esta formado por sub-partículas
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
1 Picometro (1 pm)
Nos acercamos cada vez más al núcleo atómico

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Sub-multiplos
En 1x10-14 m podemos observar los protones y neutrones del núcleo
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
1 Picometro (1 pm)
Observamos el núcleo atómico compuesto de sub-partículas

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Sub-multiplos
Al llegar a los fentómetros 1x10-15 m llega el límite del campo de la química
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
1 Picometro (1 pm)
1 Fentometro (1 fm)
Lo que vemos es la superficie de un protón

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Sub-multiplos
De aquí en adelante es la Física Nuclear quien se encarga del estudio
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
1 Picometro (1 pm)
1 Fentometro (1 fm)
1 Attometro (1 am)
Aquí se habla en attómetros (1x10 -18 m)

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Sub-multiplos
Los físicos hablan de la existencias de otras micro-partículas más pequeñas, e incluso de micro-cuerdas que serían la base de la materia
1 Metro (1 m)
1 Decimetro (1 dm)
1 Centimetro (1 cm)
1 Milimetro (1 mm)
1 Nanometro (1 nm)
1 Amstrong (1 Å)
1 Picometro (1 pm)
1 Fentometro (1 fm)
1 Attometro (1 am)
Aquí se habla en attómetros (1x10 -18 m)

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¿Qué es Química?
Comprendemos ahora que la química si bien estudia toda la materia, lo hace en un rango muy definido dimensionalmente:
de nanómetros a fentómetros
1x10 -9 m a 1x10 -15 m

29
¿Qué es Química?
¿Pero qué pasa con el resto
de nuestra definición?

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¿Qué es Química?
A esta altura Ud. ya ha estudiado que las ciencias tienen un campo y método de estudio bien definidos
Para la Química
Su campo de estudio es: la estructura, propiedades y transformaciones de la materia en las dimensiones ya mostradas (nm - fm)
Y su método es el Método Científico

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¿Qué es Química?
No podemos seguir dejando por fuera la definición de materia:
Materia es el nombre que se le da a todo aquello que ocupa un lugar en el espacio.
Dicho en otras palabras, materia es todo lo que tiene masa y volumen.

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¿Qué es Química?
Vienen aquí sus primeras preguntas:
¿Qué diferencia hay entre las definiciones de materia y energía?
¿El fuego es materia o es energía?

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¿Qué es Química?
Continuando
Veamos entonces las definiciones de masa y volumen para comprender las características de la materia
Masa:Cantidad de materia que ocupa un cuerpo (La materia es medible)
Volumen:Cantidad de espacio que ocupa la materia (La materia ocupa espacio)

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¿Qué es Química?
Materia
Mezclas
Sustancias Puras
Heterogéneas
Homogéneas
Compuestos
Elementos
Entendido el concepto de materia repasemos un poco la clasificación básica que posee:

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¿Qué es Química?
Materia
Sustancias Homogéneas
Mezclas Heterogéneas
Mezclas o Soluciones
Sustancias Puras
Elementos
Compuestos
Otra forma de clasificar la materia puede exponerse en el esquema siguiente:

¿Qué es Química?
Sabemos que la materia Homogénea es aquella que se ve como una sola cosa, sin distinción de sus partes, por ejemplo:
Puede ser una sustancia pura o una mezcla, pero debe verse como una sola sustancia
Bebida alcohólica (agua, alcohol y limón)
que se ve como un líquido translúcido

¿Qué es Química?
Sabemos que la materia Heterogénea es aquella en que se pueden distinguir al menos dos de las partes que la componen, por ejemplo:
En un piso de Granito podemos distinguir diferentes minerales de diversos colores.
En el famoso plato latino, conocido como gallo pinto o casamiento, podemos distinguir sin problemas los granos de maíz y los de frijol
Al observar detenidamente un refresco de soda, podemos distinguir al menos dos de sus partes: una parte líquida color caramelo y múltiples burbujas de gas (CO2)

¿Qué es Química?
Ahora si hablamos de materia Homogénea nos referimos a todo aquello que se ve como una sola cosa, sin distinción de sus partes, por ejemplo:
Bebida alcohólica
Aun cuando sabemos que tiene diversas partes (agua, alcohol y limón), la vemos como un solo líquido translúcido
Con la leche sucede igual (agua, grasa, vitaminas, azucares, etc…), la vemos como un único líquido de color blanco

¿Qué es Química?
Habrá que tener cuidado, pues si bien la materia Heterogénea siempre esta formada por al menos 2 sustancias diferentes, la materia Homogénea puede ser tanto un mezcla, como una sustancia pura:
Un jugo de naranja es homogéneo pero a la vez es una mezcla de agua, sumo y azúcar
Por otra parte el agua también es una sustancia homogénea, pero no es una mezcla de otras sustancias…ella es una sustancia pura, formada únicamente por el compuesto H2O

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¿Qué es Química?
Materia
Homogénea
Heterogénea
Mezclas o Soluciones
Sustancias Puras
Elementos
Compuestos
En el diagrama de clasificación de la materia, vemos que aun dentro de las sustancias puras existe una sub-clasificación en elementos o compuestos:

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¿Qué es Química?
¿Pero cómo diferenciar si una sustancia que se ve igual (Homogénea) es un elemento o es un compuesto?
La respuesta no es tan complicada:
Basta con buscar si la sustancia se encuentra en la Tabla Periódica, en cuyo caso es un elemento.

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¿Qué es Química?
En el caso del Agua, nos damos cuenta que no hay en la tabla periódica una sustancia con este nombre, por lo que podemos determinar que esto es un compuesto
Además conocemos que el agua tiene una fórmula química: H2O
La cual indica que este compuesto esta formado por dos diferentes elementos:
Hidrógeno y Oxígeno

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¿Qué es Química?
De hecho al igual que el agua todas las sustancias puras puede representarse por una fórmula química, la cual contendrá un solo símbolo si se trata de un elemento y al menos dos símbolos de elementos al tratarse de un compuesto.
Los elementos son representados por al menos una letra mayúscula, acompañada en ocasiones por una letra minúscula.
Si queremos saber cuantos elementos tiene un compuesto, solo tendremos que contar entonces cuantas letras mayúsculas hay en su fórmula química
H2O
Dos elementos

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¿Qué es Química?
No existe ningún elemento representado exclusivamente con letras minúsculas, por lo cual una formula química siempre deberá tener al menos una letra mayúscula
CO
Co
co
Compuesto formado por 2 elementos: Carbono y Oxígeno
Un solo elemento (Cobalto)
Esto no existe

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¿Qué es Química?
Una vez entendido como se representan los elementos y compuestos, podemos hablar del significado del resto de símbolos que aparecen en una fórmula química:
En este caso vemos que existen en el compuesto 3 tipos diferentes de elementos:
Sodio (Na)
Azufre (S)
Oxígeno (O)
Tipos de átomos
Na2SO4 (s)
Estado
No. de átomos

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¿Qué es Química?
En el caso de los números que aparecen como subíndices, representan el número de átomos que existen de cada elemento
En este compuesto existen:
2 átomos de Sodio (Na)
1 átomo de Azufre (S)
4 átomos de Oxígeno (O)
Tipos de átomos
Na2SO4 (s)
Estado
No. de átomos

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¿Qué es Química?
Además aparece entre paréntesis una letra “s” que representa el estado de la materia en que se encuentra este compuesto.
(s): Sólido
(l): Líquido
(g): Gas
(ac): Acuoso …diluido en
agua
Tipos de átomos
Na2SO4 (s)
Estado
No. de átomos

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¿Qué es Química?
Sin duda Ud. ya conoce los 3 estados fundamentales de la materia:
Sólido
(s)
Líquido
(l)
Gas
(g)

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¿Qué es Química?
Sabrá también que cambiando las condiciones de temperatura o presión, podemos cambiar de un estado a otro, y que cada cambio recibe un nombre específico:
Gas
Vaporización
Condensación
Sublimación
Deposición
Líquido
Fusión
Solidificación
Sólido

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¿Qué es Química?
Vienen ahora unas cuantas preguntas:
3. ¿Qué otros estados de la materia existen (mencione al menos 3 más)?
4. ¿Dónde encontramos plasma?

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¿Qué es Química?
Al recordar la definición de química, vemos que hemos explorado dentro de ella los conceptos de ciencia y materia, a la vez que indagamos en lo referente a la estructura y clasificación de la materia.

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¿Qué es Química?
Debemos ahora de hablar de las propiedades de la materia:
La materia, tal como ya lo ha investigado en tareas anteriores, tiene propiedades extrínsecas (generales o extensivas) y propiedades intrínsecas (particulares o intensivas)

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¿Qué es Química?
Las propiedades extrínsecas o generales si bien sirven para describir una sustancia, no nos proporcionan suficiente información para diferenciarla de otras. Por ejemplo:
Color
Sabor
Textura
Masa
Volumen
Etc…

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¿Qué es Química?
Mientras que propiedades intrínsecas o específicas son precisamente las que marcan la diferencia entre un tipo de sustancia y otra. Por ejemplo:
Punto de Fusión
Punto de Ebullición
Calor Específico
Etc…

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¿Qué es Química?
Para terminar de comprender la definición de química, debemos clarificar la diferencia entre los dos tipos de transformaciones que puede sufrir la materia: Físicas y Químicas

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¿Qué es Química?
Las transformaciones de la materia pueden ser entonces:
FÍSICAS:
Si pueden observarse sin cambiar la composición de la sustancia.
Romper un trozo de papel, quebrar un vidrio, cambiar de estado, etc…
QUÍMICAS:
Si únicamente se observan al cambiar la composición de las sustancia involucradas.
Oxidación de un clavo, Combustión de un trozo de papel, Putrefacción de un ser vivo, Fermentación de un vino, etc…

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¿Qué es Química?
Podemos esquematizar lo anterior de la forma siguiente:
Transformaciones Físicas:
Sin alterar la composición química de la materia
A + B  A + B
Transformaciones Químicas:
Alteran la composición química de la materia
A + B  C + D

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¿Qué es Química?
En adelante llamaremos a las transformaciones químicas con el nombre de: Reacciones Químicas, a lo cual dedicaremos una buena parte del curso de ahora en adelante.

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¿Qué es Química?
Por ahora nos quedaremos aquí, esperando su comprensión sobre lo que es Química y su campo de estudio
Muchos éxitos y adelante!

Fundamentos de Química

by Luis

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