Química Revista Unidad 1

QUÍMICA Unidad 1 Materia Unidad 2 Estructura atómica Unidad 3 Tabla periódica Unidad 4 Enlace químico Unidad 5 Reacciones químicas Objetivo: al término de la unidad, el estudiante definirá el campo de estudio de la química, su división e importancia. Definición de Química Es la ciencia que estudia las transformaciones internas de la materia, sus causas y efectos en función de la energía; en general estudia la constitución (propiedades) de la materia, los fenómenos que la afectan y las leyes que rigen dichos cambios. W Ciencia Es un conjunto de conocimientos sistematizados que sustentan al conocimiento empírico. Una ciencia se caracteriza por ser: • Sistemática: porque emplea el método científico para su investigación. • Comprobable: se puede verificar si es falso o no lo que propone como conocimiento. • Perfectible: los enunciados sufren continuamente modificaciones e incluso correcciones a medi- da que el hombre incrementa sus conocimientos. Los fenómenos o cambios que estudia la química son: Fenómeno Características Ejemplo Físico Cambio que presentan las sustancias que no modifica su Cambio del agua de líquido a Químico estructura interna, es decir, no cambia su naturaleza. vapor, estirar una liga, talar un árbol. Cambio que presentan las sustancias que altera su estructura interna. Es el cambio permanente que modifica las propieda- La combustión, la fermentación, des y la naturaleza de la sustancia original. la oxidación, la putrefacción.

402 Colegio Nacional de Matemáticas Ciencias auxiliares de la química La química se relaciona con un gran número de ciencias y disciplinas, por lo que tiene una infinidad de aplicaciones en el medio que nos rodea. Ciencia Relación con la química Matemáticas Física Ayudan a realizar estimaciones. Biología La auxilia en el estudio de la corteza electrónica de los átomos, la teoría de la estruc- Medicina tura atómica y los espectros, incluso la mecánica cuántica. Geología La ayuda en el estudio de los fenómenos vitales por métodos químicos; por ejemplo, los procesos que tienen lugar en las células, como el metabolismo y la regulación química de los factores hereditarios, enzimas, hormonas, ácidos nucleicos, etcétera. Se auxilia de la química para hacer diagnósticos y aplicar terapias como la energía nuclear, en especial de isótopos radiactivos, entre otras muchas, la relación también se establece en el campo farmacológico (acción y distribución de los fármacos en el cuerpo humano). Aplica los principios y técnicas químicas a los estudios geológicos, a fin de conocer la evolución, transformación, composición y distribución de los elementos químicos en la corteza, manto y núcleo terrestres. Ramas de la química Para su estudio, la química se divide en diferentes ramas: Ramas Estudia Química inorgánica Química orgánica Las sustancias que provienen de los minerales. Bioquímica Fisicoquímica Los compuestos que provienen de los seres vivos, animales o vegetales y que poseen Química analítica como elemento principal en su estructura al carbono. Las sustancias que forman parte de los organismos vivos y sus transformaciones en los procesos vitales, como respiración, digestión, metabolismo y reproducción, entre otras. Fundamentalmente la estructura de la materia, los cambios energéticos, las leyes, principios y teorías que explican las transformaciones de la materia. La identificación, separación y determinación cuantitativa y cualitativa de los compo- nentes de las sustancias.

Guía para el examen global de conocimientos 403 Estados de agregación La materia está constituida por pequeñas partículas, llamadas moléculas, que ocupan un lugar en el espacio. La ley de la conservación de la materia, también llamada ley de Lavoisier, postula que: “la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma y permanece constante en el Universo”. La masa es la cantidad de materia que presentan los cuerpos. Cada estado de agregación se distingue por ciertas propiedades; algunas de ellas se presentan en la siguiente tabla: Característica Sólido Líquido Gas Movimiento molecular Las moléculas poseen Las moléculas tienen un Las moléculas exhiben un movimiento vibratorio movimiento rotatorio, res- movimiento rectilíneo y Unión molecular balan y ruedan unas sobre chocan contra las paredes Forma Se encuentran muy cerca- otras, a manera de cani- de los recipientes que las Volumen nas unas de otras cas contienen Propia Constante Los espacios intermolecula- Los espacios intermolecula- res son mayores que en los res son muy grandes sólidos La del recipiente que lo No posee contiene Constante Ocupa todo el espacio disponible y se expande Aumento de energía Sólido Líquido Gas

404 Colegio Nacional de Matemáticas Cambios de estado de agregación Los tres estados de agregación de la materia se pueden Gas transformar, por efecto de la presión o la temperatura. Deposición Licuefacción Sublimación Vaporización Líquido Solidificación Fusión Sólido Cambio Nombre Propiedades Ejemplo de estado Sólido n líquido Fusión La temperatura a la cual un sólido se Fusión de la nieve o de un metal Líquido n sólido Solidificación Líquido n gas Evaporación funde se le conoce como punto de fusión Gas n líquido Condensación Gas n líquido Licuefacción La temperatura a la cual un líquido se solidi- Congelación del agua fica se le llama punto de solidificación La temperatura a la cual hierve el líquido Evaporación del agua se le llama punto de ebullición Por enfriamiento o pérdida de calor el Formación de escarcha y nieve vapor se convierte en líquido No sólo se requiere disminuir la tempera- Al introducir gas en un encendedor. tura para que la energía cinética se re- duzca, sino que además la presión es un factor importante para este cambio Sólido n gas Sublimación Sólidos que tienen la propiedad de cam- El hielo seco, la naftalina biar directamente al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido Gas n sólido Deposición Éste es muy difícil de lograr debido a que Para la formación del hielo seco, el requiere de un enfriamiento muy brusco a dióxido de carbono debe ser enfria- presión elevada do a gran presión para que se convierta en sólido Elemento, compuesto y mezcla Los cuerpos se forman por partículas y éstas, a su vez, por moléculas y átomos. Las moléculas pueden estar formadas por átomos de la misma naturaleza (elementos) o de diferente naturaleza (compuestos).

Guía para el examen global de conocimientos 405 W Elemento O OO Es la sustancia de la cual no se puede, por medios HH C químicos, obtener otra más sencilla o la sustancia que contiene moléculas formadas por átomos del Agua Dióxido de carbono mismo tipo. Para los primeros químicos, los ele- H2O CO2 mentos más comunes eran el cobre (Cu), la plata (Ag), el oro (Au), el azufre (S), el carbono (C) y el Dos átomos Un átomo Un átomo Dos átomos fósforo (P). de hidrógeno de oxígeno de carbono de oxígeno W Compuesto Sustancias puras formadas por elementos de dos o más tipos, que se combinan en proporciones fijas. W Mezcla Es la unión f ísica de dos o más sustancias; la estructura interna de las sustancias no cambia cuando se mezclan, por tanto, sus propiedades químicas permanecen constantes. Las mezclas se pueden encontrar en cualquiera de los tres estados de agregación de la materia. h Características de las mezclas • Los componentes de una mezcla se pueden separar f ísicamente. • Las partículas de los componentes se mantienen unidas por fuerzas de cohesión. • Los componentes de una mezcla conservan sus propiedades f ísicas y químicas. • La composición de una mezcla es variable, es decir, sus componentes pueden variar en cantidad (Daub, 1996). h Clasificación de las mezclas Las mezclas forman lo que se denomina un sistema y cada sustancia que lo constituye se denomina fase. Si en la mezcla se observa a simple vista una separación de las fases, ésta recibe el nombre de mezcla he- terogénea. Si, por el contrario, no se distingue separación de fases, debido a que los componentes se encuen- tran uniformemente distribuidos, a éstas se les llama mezclas homogéneas. Analicemos cada una de ellas: • Mezclas homogéneas. Se subdividen se acuerdo al tamaño de las partículas que las componen en: Soluciones. Son una mezcla de dos o más sustancias. A la sustancia que se encuentra en mayor pro- porción se le llama fase dispersora (solvente o disolvente) y a la que está en menor cantidad, fase dispersa (soluto o disoluto), como ejemplo tenemos el vinagre o agua gasificada. Las soluciones son transparentes, incoloras o coloridas; las fases no se pueden separar por filtración, el tamaño de partícula del soluto fluctúa entre 0.1 y 1nm*, sus partículas se encuentran en constante movimiento, las partículas no sedimentan, etcétera. * nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una millonésima parte de un milímetro.

406 Colegio Nacional de Matemáticas Mezclas heterogéneas. Se subdividen en: Coloides. De acuerdo con el tamaño de partícula del soluto (1–100 nm), la mezcla resulta inter- media entre las soluciones y las suspensiones; sus partículas permanecen dispersas en todo el medio, no se sedimentan, son translúcidas, no pueden separarse por filtración, presentan un fe- nómeno muy particular de dispersión de la luz, llamado efecto Tyndall, como ejemplo mencio- namos la clara de huevo, el malvavisco o una gelatina. Suspensiones. Son una mezcla heterogénea formada por partículas grandes (mayores que 100nm), que se observan a simple vista; tales partículas se encuentran suspendidas por un tiem- po en el disolvente; la gravedad las afecta cuando están en reposo y provoca que se precipiten; se pueden separar por filtración o por decantación. Muchos medicamentos se encuentran en forma de suspensiones. h Concentración de las mezclas De acuerdo con la cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad dada de solvente para pro- ducir una solución saturada, a una temperatura y presión determinada, es decir, la solubilidad (propie- dad de las sustancias para formar una mezcla homogénea con un disolvente); se clasifican en: • Diluidas: se perciben más las propiedades del solvente que las del soluto, porque este último se encuentra en una muy pequeña concentración. • Concentradas: contienen menos soluto que el que puede contener una solución saturada. • Saturadas: contienen la máxima cantidad de soluto que se puede disolver a una temperatura y presión estándar. • Sobresaturadas: contienen más soluto que las saturadas y pueden solubilizar al soluto a través del aumento de temperatura o por presión. Puesto que la cantidad de soluto que contiene una mezcla es variable es necesario conocer su con- centración, que es el peso o volumen de soluto presente en una cantidad específica de disolvente (sol- vente) o disolución. Para saber con exactitud la cantidad de soluto presente en una disolución, la concentración se pue- de expresar en diferentes formas, como: • Porcentaje expresado en peso. Es el peso del soluto contenido en cien unidades en peso de di- solución; se expresa mediante la fórmula: % en peso  (peso del soluto/peso de disolución) t 100 Ejemplo: Si se disuelven dos gramos de alcohol en 98 gramos de agua, ¿cuál es el porcentaje en peso del alcohol? % en peso  (2 g de alcohol/100 g de disolución) t 100 = 2% de alcohol • Porcentaje expresado en volumen. Es el peso de soluto contenido en cien unidades de volumen de disolución; se expresa así: % en volumen  (peso de soluto/volumen de disolución) t 100

Guía para el examen global de conocimientos 407 Ejemplo: Se preparó una disolución que contenía 8 g de cloruro de sodio (sal común) en 100 ml de disolución acuosa. ¿Cuál es el porcentaje en volumen de sal? % en volumen  (8 g de sal/100 ml de disolución) t 100  8% de sal h Métodos para separar mezclas Las mezclas se separan para obtener los componentes que las forman y así caracterizar las sustancias o aprovecharlas como materia prima para elaborar otros productos. Existen varios métodos para separar las mezclas: Decantación. Es un método que se utiliza para separar mezclas heterogé- neas. Cuando la mezcla contiene un líquido y un sólido, primero se deja reposar, al cabo de un tiempo se distinguirán las dos fases. Con mucho cui- dado, la fase líquida se vierte en un recipiente y la sólida sedimentada se deja en el fondo del recipiente original (Ocampo, 2004). Papel filtro Suspensión de Filtración. Proceso f ísico que se utiliza para separar Embudo de yeso en agua una sustancia liquida de una sólida. Aquí la mezcla se filtración Yeso (componente sólido hace pasar por un material poroso donde el sólido o fase sólida de queda atrapado. El líquido pasa y se recolecta en otro Matraz la mezcla) recipiente. Agua (filtrado o fase líquida de la mezcla) Destilación. Método para separar mezclas homo- Salida del agua géneas líquidas. En este procedimiento se aprove- cha la diferencia en la temperatura de ebullición de Condensador las sustancias. Consiste en calentar lentamente la mezcla de dos líquidos, la sustancia con menor Agua punto de ebullición se convertirá en vapor prime- sólida ro, la cual se recolecta en un refrigerante para con- densarla en otro recipiente, y la otra quedará Enfriador líquida. Calor Entrada del agua Agua pura Evaporación. Consiste en calentar la mezcla hasta el punto de ebullición de uno de los componentes, enton- ces se deja hervir hasta que se evapore totalmente. Este método se emplea si no tenemos interés en utilizar el componente evaporado. Los otros componentes quedan en el envase.

408 Colegio Nacional de Matemáticas Cristalización. Se usa para separar sólidos disueltos en un líquido; al término el sólido queda cristalizado y el solvente se elimina. Cápsula de porcelana llena de agua Cristales de yodo Sublimación. Se utiliza para separar dos sólidos, uno de ellos purificados se sublima por la acción del calor (Zárraga, 2004). Yodo impuro Cromatograf ía. Se emplea para separar mezclas de gases o líquidos con ayuda de solventes. La base de este método es la absorción, que ocurre cuando las partículas de una sustancia sólida, líquida o gaseosa se adhieren a la superficie de un sólido. Existen dos tipos de cromatograf ías: en papel y en columna, o se puede usar un método más sofisticado como un cromatógrafo. Frente del disolvente Nueva posición del compuesto 2.8 cm 2.1 cm Origen Rf = 2.1 = 0.75 2.8