Contenido: Introducción. Que estudia la química. Estados de la materia. Estudio molecular de los estados de agregación. Cambios físicos, químicos y nucleares. Mezcla, compuesto y elemento. Suspensiones y coloides.
Introducción
La forma más directa de iniciar el estudio de la química es examinar algunas formas fundamentales de clasificar y describir la materia. Dos de los principales métodos de clasificación de la materia se basan en su estado físico (gas, líquido o sólido) y en su composición (mezcla, compuesto o elemento).
La química implica el estudio de las propiedades y comportamiento de la materia. Desde luego no todas las formas de la materia son tan comunes o tan conocidas. No obstante, incontables experimentos han demostrado que la enorme variedad de la materia en nuestro mundo se debe a combinaciones de apenas poco más de un ciento de sustancias básicas, llamadas elementos.
Al avanzar en esta unidad trataremos de relacionar las propiedades de la materia con la composición de la misma; esto es con las clases de elementos que contienen.
Hasta donde se sabe todo, lo que hay en el universo esta hecho de estos elementos. Hay una clase distinta de átomo para cada elemento individual, y cuando estos átomos se combinan químicamente entre sí, son posibles muchos compuestos diferentes.
Por lo tanto es necesario conocer los símbolos y los nombres de los elementos que son fundamentales par a toda comprensión posterior en la química. Vamos a identificar los elementos, analizaremos las propiedades que lo distinguen, la aplicación e importancia de éstos.
Que estudia la química
El siguiente cuestionamiento te relaciona con la Química: ¿Has cocinado alguna vez? ¿Te lavas con jabón?, ¿has hecho algún dibujo?, ¿utilizas diariamente objetos de plástico?, ¿has usado algún medicamento, desodorante o cosmético?, ¿quemas gas, carbón o petróleo en la cocina?.
En efecto, todos los días entramos en contacto con el cambio químico o con materiales útiles que se han obtenido gracias al conocimiento de esta ciencia.
Ello nos ocurre fuera del laboratorio químico o de una fábrica porque sencillamente la química está en todas partes.
Hay química fuera y dentro de nuestro cuerpo. Ahora mismo, que estás leyendo, debes saber que la tinta es un producto químico y que el papel; se obtiene también por procedimientos químicos.
En tus ojos, la recepción de esta imagen provoca una reacción en el compuesto llamado retinal, que desencadena la transmisión nerviosa a través deiones, y miles de reacciones químicas en tu cerebro, gracias a las cuales reconoces estas letras y su significado.
Al respirar, moverse, comer o dormir, nuestro cuerpo funciona como una extraordinaria y compleja fábrica química. Todo esto que identificamos como propio de los humanos – leer, reír, correr, pensar – no es más que una multitud de reacciones químicas ordenadas.
La ropa que vistes, la silla donde te sientas, el techo de tu casa, la tierra donde crecen los cultivos; todo es materia, y es objeto de estudio de la química.
Y el sol, el fuego, la electricidad y las diversas formas de energía están relacionados con la química ya que esta estudia también la energía.
Y la fotosíntesis, la corrosión, la contaminación, y todo aquello que implica un cambio de la materia también forma parte del dominio de la química. Iniciemos, pues, el camino de la química, una ciencia que nos ha llevado a conocer, interpretar y transformar nuestro ambiente.
Estados de la materia
Una muestra de materia puede ser un gas, un líquido o un sólido. Estas tres formas se denominan estados de la materia o estados físicos.
Un gas (también llamado vapor) no tiene volumen ni forma definidos o fijos; más bien, se ajusta al volumen y la forma del recipiente que lo contiene, por esta razón generalmente los gases se Palabras clave: estados de la materia, propiedad intensiva, propiedad extensiva, cambio físico, cambio químico, reacción endotérmica y exotérmica.
La química estudia la materia la energía y el cambio almacenan en vasijas selladas. Podemos comprimir (aplicando presión) un gas de modo que ocupe un volumen más pequeño, o expandirlo para ocupar un volumen mayor.
En su estado sólido, la materia ocupa un volumen definido y, normalmente, tiene forma y firmeza determinadas. Un líquido también ocupa un volumen específico pero carece de forma, por lo que debe colocarse en un recipiente; el líquido adquiere la forma del recipiente que lo contiene. Ni los líquidos ni los sólidos pueden comprimirse de forma apreciable.
Estudio molecular de los estados de agregación
Las propiedades de los estados pueden entenderse en el nivel molecular. En un gas, las moléculas están muy separadas y se mueven a alta velocidad, chocando repetidamente entre si y con las paredes del recipiente.
En un líquido las moléculas están empacadas más cerca unas de otras, pero aún se mueven rápidamente y pueden deslizarse unas sobre otras; por ello los líquidos fluyen fácilmente, por ejemplo la Viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia al flujo, y una de las propiedades especiales de todo líquido. Los líquidos viscosos, como la miel, fluyen con lentitud; el agua y el alcohol, de baja viscosidad, fluyen con mayor rapidez.
El agua y el alcohol son dos líquidos miscibles entre si, lo que significa que se disuelven el uno en el otro. El aceite vegetal y el agua Son dos líquidos inmiscibles.
Cuando se mezclan juntos, dos líquidos inmiscibles forman una mezcla turbia que contiene gotas diminutas de uno de ellos claramente suspendidas en el interior del otro.
Si se dejan en reposo los dos líquidos inmiscibles se separan en dos capas distintas. En un sólido las moléculas están fuertemente sujetas unas a otras y por lo general ordenadas de manera simétrica, por lo regular en patrones definidos dentro de los que las moléculas apenas pueden moverse un poco en sus posiciones.
Por ello, lo sólidos tienen forma rígida. Los sólidos y los líquidos son incompresibles porque sus partículas individuales están cerca unas a otras.
Cada sustancia tiene un conjunto único de propiedades o características que permiten reconocerlo o distinguirlo de otras sustancias. Las propiedades de las materias se pueden agrupar en dos categorías: físicas y químicas.
Podemos medir las propiedades físicas sin cambiar la identidad y composición de la sustancia. Estas propiedades incluyen color, olor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición y dureza.
Las propiedades químicas describen la forma en que una sustancia puede cambiar o reaccionar para formar otras sustancias. Una propiedad química común es la inflamabilidad, la capacidad de una sustancia para arder en presencia del oxígeno.
Algunas propiedades como la temperatura, el punto de fusión y la densidad no dependen de la cantidad de la muestra que está examinando.
Estas propiedades, llamadas propiedades intensivas, son especialmente útiles en química porque muchas de ellas pueden servir para identificar a las sustancias.
Las propiedades extensivas dependen de las sustancias dependen de la cantidad de la muestra incluyen mediciones de masa y el volumen. Las propiedades extensivas dependen de cantidad de la sustancia presente.
Cambios físicos, químicos y nucleares
Se acostumbra a clasificar el cambio en tres categorías, a pesar de que la frontera entre ellas es ciertamente difusa: cambios físicos, cambios químicos y cambios nucleares.
Una sustancia varía en su apariencia física pero no en su composición. La evaporación del agua es un cambio físico. Todos los cambios de estado son cambios físicos veamos algunos ejemplos:
El paso de estado sólido al líquido, se le llama fusión. La temperatura a la cual se funde un sólido se llama punto de fusión.
El paso del líquido a sólido se denomina congelación
La evaporación es el paso de líquido a vapor o estado gaseoso.
La transformación de un gas a líquido se denomina licuación o licuefacción.
Bajo determinadas condiciones, algunos sólidos pueden pasar directamente del estado sólido al gaseoso. A este cambio se le llama sublimación.
Cuando se enfría un líquido, cambia su estado al sólido; este hecho se observa claramente en la congelación de agua para formar hielo. A este cambio se le conoce como solidificación, cristalización o congelación.
El enfriamiento (o eliminación de calor) puede provocar también ciertos cambios de fase. Por enfriamiento logramos que un gas pase al estado líquido.
Esto es precisamente 10 que sucede cuando se empaña el vidrio de una ventana: pequeñas gotas de agua se forman del vapor de agua contenido en el aire; a este cambio de fase se conoce como condensación.
Una sustancia se transforma en una sustancia químicamente distinta, por ejemplo cuando se quema hidrogeno en el aire, sufre un cambio químico en el que se convierte en agua.
En la mayor parte de las reacciones químicas, los compuestas de alta energía se convierten por lo general en compuestos de baja energía. Cuando esto sucede, se libera calor en los alrededores.
Si se invierte una reacción química, es preciso suministrar energía en forma continua para que prosiga la reacción.
Una reacción que libera energía calorífica se llama reacción exotérmica. Cuando se emplea el termino exergònico (por ejemplo las reacciones llevadas a cabo en la fotosíntesis donde se libera o absorbe energía) en vez de exotérmico, significa que se puede liberar energía en forma distinta de calor.
Cuando se incorpora o se absorbe calor u otras formas de energía durante las reacciones, se dice que estas son endotérmicas y endergònicas, respectivamente.
Mezcla, compuesto y elemento.
Todo lo que podemos ver, sentir, palpar, oler, etc., es materia; aun cuando algunos objetos son más pesados o más ligeros, blandos o duros, suaves o ásperos, tienen masa y, por lo mismo, pueden ocupar mayor o menor lugar en el espacio, aunque se encuentren en diferentes fases (sólidos, líquidos o gases).
Cualquiera de los objetos que nos rodean es una sustancia química o cierta clase de materia, que implica masa.
– Materia: es cualquier cosa que tienen masa (por tanto, tiene que ocupar espacio).
– Masa: es una medida de la cantidad de materia presente en un objeto.
– Fase: porción de materia con composición y propiedades uniformes
La mayor parte de la materia que vemos a diario consiste en mezclas de diferentes sustancias. Mezclas; son combinaciones de dos o más sustancias en las que Separación de mezclas.
En química es de suma importancia la separación de los componentes de las mezclas y soluciones, pues el grado de pureza de una sustancia y su determinación es fundamental en esta ciencia.
En la fabricación de medicinas, alimentos y otros productos químicos la pureza es indispensable Para ello se aplican diversos métodos mecánicos y físicos como: decantación, filtración, cristalización, destilación, etc.
Decantación: es una operación mecánica que tiene por objeto separar un líquido de un cuerpo insoluble, sólido o líquido, con el que está en contacto. La sustancia sólida, que tiene mayor densidad, se deposita, por gravedad, en el fondo del recipiente de decantación.
También se aplica en la separación de dos líquidos inmiscibles La operación puede efectuarse por medio de sifones, pipetas o embudos de separación.
– Filtración: tiene por objeto separar sustancias sólidas de sustancias liquidas , que se encuentran mezcladas. Se fundamenta en la propiedad que poseen los filtros de ser permeables a los líquidos y retener los sólidos.
Para realizar esta operación se emplean filtros y embudos de diferentes clases, según el caso.
La filtración se aplica cuando hay que separar una suspensión fina, cuya velocidad de sedimentación es muy pequeña o cuando es necesario obtener la sustancia sólida. Con la menor cantidad de humedad posible.
A nivel industrial se utilizan filtros de capas (filtro prensa), filtros de tambor y filtros de arena para el tratamiento de aguas residuales, entre otros
– Evaporación: es la transformación de un líquido a vapor por incremento de temperatura basta que el líquido hierva o ebulla. Al evaporar un disolvente, solo el disolvente pasa a vapor, mientras el sólido disuelto permanece (sólido puro) y la disolución residual se concentra; este proceso se llama concentración por evaporación.
El líquido puede o no recuperarse dependiendo del tipo de evaporador o evaporación requerida. A nivel laboratorio la evaporación se lleva a cabo en una cápsula.
Existen diferentes tipos de evaporadores utilizados en la industria como:
La marmita abierta en la que se hierve el líquido. La artesa el líquido se evapora lentamente al aplicar energía solar basta que el sólido cristaliza.
– Sublimación: consiste en el paso de un sólido a vapor o gas y de este nuevamente a sólido, aparentemente sin pasar por el estado líquido. Este proceso se emplea para separar sólidos de sólidos.
– Cristalización: se basa en la solubilidad, específicamente en el cambio esta con la temperatura. Es bien conocido que la cantidad de sal que se disuelve en agua aumenta con la temperatura. Cuando una disolución caliente y saturada se enfría, la sal se cristaliza.
Cuando dos sustancias diferentes están disueltas, como cada una tiene una solubilidad característica, se puede cristalizar primero una y después la otra durante el enfriamiento, lo que se conoce como separación por cristalización fraccionada.
Centrifugación, este método consiste en la separación de sólidos en suspensiones finas o turbias, difíciles de filtrar; por medio de la aplicación de la fuerza centrífuga, así se consigue más rápidamente la separación del sólido y el líquido, que la filtración o la decantación.
Algunos tipos de centrifugas son:
Centrífuga tamiz, se utiliza para separar cristales de las aguas madres (azúcar, sales) o para el escurrido de fibras (lana, ropa). Centrifuga de tazón y centrifuga de tambor Cromatografía, este método consiste en separar mezclas de gases o líquidos por el paso de estas a través de un medio poroso adecuado, con ayuda de solventes.
Por este proceso se separan y analizan mezclas de: aire, productos extraídos de plantas, etc., o bien productos elaborados como tintas, lápices labiales, etc.
Dispersiones: disoluciones, suspensiones y coloides.
Las sustancias puras que pueden encontrarse en la superficie terrestre son muy pocas. Tal vez por esto la búsqueda y el hallazgo del oro en el pasado era todo un acontecimiento.
El hombre ha tenido que conocer las propiedades de las mezclas que es lo que abunda, ya sea para separarlas o para producirlas con ciertas características. Muchas mezclas forman parte de nuestra vida diaria.
Algunas son disoluciones como la limonada o agua de mar, otras son sistemas coloidales como la leche o la gelatina, y otras más son suspensiones como una atmósfera polvorienta.
Dispersiones
En una mezcla homogénea existe una sustancia que se presenta en mayor cantidad y otra en menor la cual se encuentra dispersa en la primera. Así, hablamos de una fase dispersora y una fase dispersa.
Por lo que las dispersiones se clasifican en soluciones o disoluciones, coloides y suspensiones, en función del tamaño de las partículas de la fase dispersa.
Soluciones y disoluciones
Se denomina solución ò disolución a la mezcla homogénea de dos o más componentes.
Las mezclas en las que las partículas de los componentes se funden íntimamente se llaman soluciones.
Las soluciones son mezclas de sustancias en las que una se disuelve en la otra para formar una sola fase. Las partículas de los componentes de una solución no se pueden ver a simple vista. Por ejemplo: en una mezcla de aceite y agua se observan dos fases liquidas, mientras que en solución de azúcar en agua, solo se aprecia una fase.
Generalmente, las soluciones se preparan disolviendo una sustancia en otra.
Cuando se prepara una solución usando dos sustancias de fases diferentes, la sustancia cuya fase es igual a la de la solución resultante, recibe el nombre de solvente y la sustancia que lo disolvió en esta se llama soluto.
Si preparamos una solución liquida disolviendo azúcar en agua, esta será el solvente y el azúcar será el soluto. Si dos sustancias son de la misma fase, se considera como solvente a la sustancia que se utiliza en mayor cantidad.
La relación entre soluto y solvente se llama concentración.
Suspensiones y coloides
No todas las soluciones son liquidas, ya que es posible tenerlas también en fase sólida y gaseosa. Las suspensiones, emulsiones y coloides también son soluciones, solo difieren por cuanto al estado físico característico que presenta cada una de ellas.
La diferencia básica es el tamaño de sus partículas, lo que origina las propiedades características de cada una de las mezclas en cuestión.
Para tener idea del tamaño de las partículas de las mezclas, tomaremos como referencia las soluciones ideales, cuyas partículas de soluto miden de l0 a 1 Ángstroms, en tanto que las partículas dispersas en las suspensiones miden de 1,000 a 2,000 Angstroms. El ángstrom es una unidad de medida utilizada, que equivale a 0.00000001 cm; se representa con la literal A en honor al físico Sueco Ander J. Angstrom.
Cuando el tamaño de la partícula dispersa oscila entre 10 y 1,000 A se obtienen dispersiones llamadas suspensiones coloides o coloides, que son mezclas formadas por dos fases: dispersora y continua o dispersante.
No son homogéneas ni heterogéneas, más bien son una transición entre las soluciones homogéneas y las heterogéneas. A los coloides líquidos se les llama soles, y a los que se solidifican o separan de manera de gelatina se les llama geles.
Fuente: Apuntes de química general / unideg