Átomos y Moléculas, Química Básica, 1

7/17/2019 Átomos y Moléculas, Química Básica, 1

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1 Conceptos fundamentales

1.1 Introducción

En primer lugar, se tratará de

responder a la pregunta ¿qué es

la química? Puede decirse que la

química es una rama de la

ciencia que se ocupa de la

caracterización, composición y

transformación de la materia. Sin

embargo debido a la estrecha

interrelación de las ciencias, sus

limites no están bien definidos.

El mundo en el que vivimos, esta lleno de una gran cantidad de fenómenos,

algunos de ellos se presentan en un nivel macro, como los temblores, erupciones de

volcanes, tormentas, tifones, etc., aunque, existen otros fenómenos que no se pueden

observar a simple vista, estos, aparentemente se presentan con más tranquilidad, como

el fenómeno de la fotosíntesis. De esta forma los químicos están interesados en eldescubrimiento no sólo de los cambios que tienen lugar en la naturaleza, sino en entender

el porqué de ellos.

De lo anterior, la química puede considerarse como el estudio de la composición

de sustancias y la manera que se comportan. Tiene sus fundamentos en el afán del

hombre por conocer el mundo en que vive, modificando y aprovechando los procesos que

en él se desarrollan en beneficio propio. Ahora bien el desarrollo de la química moderna

se ha basado en un método, el cual se describe a continuación.

1.2 El Método Científico

Como en el caso de muchas palabras, ciencia , posee varias acepciones, en algunos su

sentido coincide con las actividades de ciertos campos de estudio, tales como la química

o física, matemáticas, biología; otras veces su sentido se aplica a los esfuerzos que se



Conceptos Fundamentales2

1 Bunge, Mario, 1969, La investigación científica, Ariel, Barcelona, cap. I.

hacen para aumentar el caudal del conocimiento de una disciplina en particular o de varias

o todas las disciplinas en general. Describe el producto de las investigaciones y los

procedimientos empleados en ellas.

El método científico1, es un procedimiento para tratar un conjunto de problemas.

Cada clase de problemas requiere de un conjunto de métodos o técnicas especiales. Los

problemas del conocimiento, a diferencia de los del lenguaje o los de la acción, requieren

la invención o la aplicación de procedimientos especiales adecuados para los varios

estadios del tratamiento de los problemas, desde el mero enunciado de éstos hasta el

control de las soluciones propuestas. Ejemplos de tales métodos especiales (o técnicas

especiales) de las ciencias, son la triangulación (para la medición de grandes distancias)

o el registro y análisis de radiaciones cerebrales (para la objetivación de estados delcerebro).

Cada método especial de la ciencia es, pues, relevante para algún estadio

particular de la investigación científica de problemas de cierto tipo. En cambio el método

general de la ciencia es un procedimiento que se aplica al ciclo entero de la investigación

en el marco de cada problema de conocimiento. Lo mejor para darse cuenta de cómo

funciona el método científico consiste en emprender, con actitud inquisitiva, alguna

investigación científica lo suficientemente amplia como para que los métodos o las

técnicas especiales no obscurezcan la estructura general. (El convertirse en especialista

de algún estadio del trabajo científico, como la medición, por ejemplo, no basta, ni mucho

menos, para conseguir una visión clara del método científico; aún más, eso puede sugerir

la idea de que hay una pluralidad de métodos inconexos más que una estructura metódica

subyace a todas las técnicas). Otro buen camino, inmediatamente después del anterior,

consiste en familiarizarse con algún sector o pieza de la investigación, no precisa y

solamente con su resultado, más o menos caduco, sino con el proceso entero, a partir de

las cuestiones que desencadenaron inicialmente la investigación.

Supongamos que nos planteamos la pregunta siguiente:"¿Por qué diversos grupos

humanos utilizan lenguajes más o menos diferentes?". Una respuesta sencilla a esa

pregunta --esto es, una explicación de la generalización empírica según la cual diversos



Método Científico 3

grupos humanos tienden a hablar de modos diversos-- se encuentra en mitos como, por

ejemplo, el de la diversidad originaria del lenguaje ya cristalizada desde el principio. Un

investigador científico de ese problema no prestaría gran fe a explicaciones sencillas de

ese tipo, y empezaría por examinar críticamente el problema mismo. De hecho, aquella

pregunta presupone una generalización empírica que puede necesitar afinación: ¿Qué

grupos son los que hablan modos diversos? ¿Grupos étnicos, grupos sociales, grupos

profesionales? Sólo una investigación preliminar de esta cuestión previa puede permitirnos

una formulación más precisa de nuestro primer problema.

Una vez hallado ese enunciado más preciso del problema, se ofrecerá una serie

de conjeturas: algunas referentes a la determinación geográfica de las diferencias

lingüísticas, otras a los factores biológicos, otras a los factores sociales, etc. Estos varios

supuestos serán entonces contrastados examinando sus consecuencias observables. Así,

por ejemplo, si el tipo de trabajo es efectivamente un determinante principal de las

diferencias lingüísticas (hipótesis), entonces los grupos profesionales compuestos por

individuos que en todo lo demás son semejantes deben hablar dialectos distintos

(consecuencia sometible a contrastación con la experiencia).

Entonces hay que reunir cierto número de datos para poder averiguar cuál de las

conjeturas es verdadera --si es que alguna de ellas lo es--. Y, si es posible, los datostendrán que ser científicamente certificables, esto es, obtenidos y controlados si es

necesario por medios científicos. Por ejemplo: habrá que estudiar nuestras causales de

grupos profesionales, con objeto de minimizar los efectos de una posible tendencia en la

elección de los sujetos. Entonces se estimarán los méritos de las varias hipótesis

propuestas y en ese proceso de estimación surgirán acaso nuevas conjeturas.

Por último, si la investigación ha sido cuidadosa e imaginativa, la solución del

problema inicial hará surgir un nuevo conjunto de otros problemas, De hecho, las piezas

de investigación más importantes, al igual que los mejores libros, son las más capaces de

desencadenar un nuevo pensamiento, y no precisamente las tendientes a llevar el

pensamiento al reposo.

En el anterior ejemplo se pueden distinguir los estadios principales del camino de




Figura 1.1 Un Ciclo de Investigación

la investigación científica, esto es, los pasos principales de la aplicación del método

científico. Se distingue, efectivamente, la siguiente serie ordenada de operaciones:

i. Enunciar preguntas bien formuladas y verosímilmente fecundas.

ii. Arbitrar conjeturas, fundadas y contrastables con la experiencia, para contestar a

las preguntas.

iii. Derivar consecuencias lógicas de las conjeturas.

iv. Arbitrar técnicas para someter las conjeturas a contrastación.

v. Someter a su vez a contrastación esas técnicas para comprobar su relevancia a

la fe que merecen.

vi. Llevar a cabo la contrastación e interpretar sus resultados.

vii. Estimar la pretensión de verdad de las conjeturas y la fidelidad de las técnicas.

viii. Determinar los dominios en los cuales valen las conjeturas y las técnicas, y

formular los nuevos problemas originados por la investigación.

Este ciclo se representa esquemáticamente en la figura 1.1.



El Desarrollo de la Química 5

Hasta este punto Bunge describe el método científico, sin embargo, este método

es sólo una de las herramientas de la química y su desarrollo se presenta a continuación.

1.3 El Desarrollo de la Química

La química ha necesitado una gran cantidad de tiempo para desarrollarse y su historia se

puede dividir en cinco períodos:

C Las artes prácticas

C Los griegos

C La alquimia

C La búsqueda del flogistoC La química moderna

Este desarrollo tiene un inicio incierto quizá, con la aparición del hombre pensante

en tiempos remotos, en donde los primeros filósofos trataron de imaginarse la materia.

1.4 Materia

La materia es la sustancia de la cual está compuesto el universo y puede decirse que escualquier cosa que ocupe un lugar en el espacio y que tenga masa (la masa es la medida

de la cantidad de materia). La materia, esta constituida por elementos los que a su vez

como se verá en capítulos posteriores, están formados de partículas muy pequeñas y de

la unión de ellas se obtienen los cuerpos, así como sus propiedades.

En la antigüedad, los griegos tenían la idea de que toda la materia se encontraba

formada por sustancias sencillas que denominaban elementos y eran: tierra, aire fuego

y agua . Así mismo, consideraban a todos los cuerpos celestes perfectos y formados deotro elemento al que denominaban éter al que posteriormente se le conoció con el nombre

de quintaesencia (del latín quinto elemento).

Sin embargo, la idea de asociar los elementos químicos con alguna representación

abstracta se dieron en el tiempo de los alquimistas, en esta época, los estudiosos de la




Elemento Símbolo

Aluminio Al

Argón Ar

Arsénico As

Astato At

Tabla 1.2 Sistema usado porBerzelius.

ciencia, empezaron a utilizar símbolos para representar ciertos elementos metálicos

conocidos en esos tiempos, de esta forma, los elementos conocidos y su asociación

simbólica se muestran en la tabla 1.1.

Elemento Antimonio Arsénico Cobre Estaño Fierro Oro Plata

Símbolo o-o & %

Tabla 1.1. Algunos símbolos utilizados en la edad media por los alquimistas.

Antoine Lavoisier (1742-1794) químico francés, tomando en cuenta las ideas de

físico irlandés Robert Boyle (1627-1691) que en 1661 en su obra el químico escéptico

establece que él entiende por elemento a ciertos cuerpos primitivos y simples,

perfectamente independientes, los cuales sin estar hechos de ningún otro cuerpo, el uno

del otro, son los ingredientes de los cuales están formados todos los compuestos, aquellos

cuerpos que se llaman cuerpos perfectamente mezclados y en los compuestos en que

finalmente se separan; así, considera a una sustancia como elemento cuando ésta no

puede descomponerse en otras más sencillas. Lavoisier identificó varios elementos

(alrededor de 23), sin embargo, incluyó en su lista a algunos compuestos simples, como

el calor o la luz, etc.

John Dalton, físico, químico y naturalista inglés (1766-1844), representó con

círculos y ciertos diagramas los elementos conocidos y Berzelius (1779-1848), químico

sueco, en 1813 sugirió un sistema para

representar los elementos químicos, en el cual, se

utilizaba la primera letra del nombre del elemento

para designar a éste. En caso de que dos o más

elementos tuvieran la misma primera letra, se

añade una segunda letra para denotar el símbolo

del elemento, si la segunda coincide también,

entonces su utiliza la tercera letra, como se

muestra en la tabla 1.2.

En este método, la primera letra es mayúscula y

la segunda, si la hay, es minúscula. Debe tenerse




en cuenta que algunos elementos se derivan del latín, así el símbolo de oro es “Au” y el de

la plata “Ag” que se derivan de, aurium y argentum , palabras latinas para designar al oro

y la plata. Otros ejemplos se tienen en el sodio “Na” y el potasio “K” que se derivan del

latín natrium y kalium respectivamente. Existen también nombres de elementos químicos

que se derivan de otras lenguas, por ejemplo el tungsteno “W” se deriva de la palabra

alemana wolfram , etc.

1.5 Estados de la Materia

La energía, aumento de trabajo que se requiere para cambiar un sistema de una condición

a otra, es la responsable de los estados de la materia.

Se pueden considerar tres estados en la materia, a saber:

C Estado sólido.

C Estado líquido.

C Estado gaseoso.

Estos estados se caracterizan por:

Estado Características

Sólido

C Mantiene su forma y volumen, debido a que la energía que tienen las partículas(energía vibracional), no les permite separarse de su posición.

C Es prácticamente incompresible.

C La difusión ocurre muy lentamente.

C No fluye.

Líquido

C La energía de las partículas es mayor variando su forma pero conservando el

volumen, así toman la forma del recipiente que los contiene.

C La difusión ocurre lentamente.

C Fluye fácilmente.

Gaseoso

C Las partículas alcanzan una energía que les permite escapar del conjunto, así

toman tanto la forma como el volumen del recipiente que los contiene.

C Son compresibles.

C Se difunden rápidamente.

C Fluyen fácilmente




Fig. 1.2. Mezcla.

De lo anterior se puede observar, que la energía que contienen las partículas es

la responsable de las aciones e interacciones de estas y de los estados de la materia.

Los estados de la materia están compuestos por mezclas, que es la forma en que

se unen entre si tanto elementos como substancias para dar lugar a

nuevas substancias.

1.6 Mezclas

Los elementos pueden unirse entre sí, para formar compuestos que a su

vez se unen formando mezclas en donde dos o más substancias con

propiedades diferentes se unen, sin embargo, ninguna de ellas pierde suspropiedades originales. Las mezclas pueden dividirse en:

i. Mezcla homogénea.

ii. Mezcla heterogénea.

Una mezcla homogénea es uniforme en su totalidad, algunos ejemplos se tienen

al disolver sal en agua, sal común (cloruro de sodio) o azúcar en agua, en donde las

moléculas de agua y la sal o el azúcar se mezclan por difusión, hasta que se logra una

distribución uniforme de la sal o azúcar y agua en el sistema (en este caso se forma una

solución), la cual se discutirá en capítulos posteriores, o al considerar la mezcla de que

esta formado el aire o bien la mezcla que se forma mezclan los metales para formar una

aleación, a la que también se conoce con el nombre de soluciones sólidas, que también

se discutirá posteriormente.

En una mezcla heterogénea, por el contrario, no se tiene uniformidad en ella, en

este tipo de mezclas, se tienen dos regiones o fases diferentes, por lo que se pueden

considerar como ejemplos, dentro de este tipo de mezclas las formadas por agua y aceitefig. 1.2, limadura de fierro y sal, al igual que la formada por agua (en estado líquido) y hielo

(agua en estado sólido) en donde ambas fases tienen la misma composición pero muchas

de sus propiedades son diferentes, etc.




1.7 Sistema Internacional de Unidades

La necesidad de establecer ciertos parámetros para darse cuenta de que tan rápido viaja

un automóvil, o cuanto líquido tiene un refresco o bien, que cantidad de harina se le debe

poner a un pastel dieron como consecuencia la invención de varios sistemas de medición,

sin embargo, en 1875, se acordó que el sistema métrico de medidas deberá utilizarse en

todos los estudios científicos. Este sistema fue formulado por la Academia Francesa de

Ciencias durante 1790. En 1960, en la Conferencia General de Pesos y Medidas se

modifico la versión del sistema métrico adoptando el Sistema Internacional de Unidades ,

(del nombre francés: Le Système International d'Unités) abreviado SI.

El Sistema Internacional de Unidades, SI, contiene un conjunto de unidadesbásicas, la tabla 1.3 muestra estas unidades las cuales por ahora quizá no tengan

significado para usted, pero cada una de ellas esta perfectamente definida.

Cantidad Unidad Símbolo

Longitud Metro m

Masa Kilogramo Kg

Tiempo Segundo s

Corriente eléctrica Amperio A

Temperatura Kelvin K

Cantidad de sustancia Mol mol

Intensidad luminosa Candela cd

Tabla 1.3. Unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades, SI.

CCCC Longitud

El metro es la unidad fundamental de longitud. Se define en términos de la distancia entre

dos lineas espectrales de la linea naranja (2p10 - 5d5) emitida por el Kriptón 86 (Kr86).




2 “Nature (GB)” , 1968, 220, 651.

CCCC Masa

La masa se conoce como la cantidad de materia que se encuentra presente en un objeto.

La cantidad estándar de masa es el kilogramo y se encuentra representada físicamente

como un pedazo hecho de platino-iridio en el Bureau Internacional de Pesos y Medidas en

Sevres, Francia. Originalmente el kilogramo representaba la masa contenida en un

centímetro cubico de agua que se encontraba a la temperatura de 4ºC que es cuando el

agua presenta su máxima densidad.

CCCC Tiempo

El segundo es la unidad fundamental de tiempo. Se define como la duración de 9 192 631770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles del átomo

de cesio 133 (Cs133). Previamente, esta unidad era considerada como idéntica al segundo

astronómico del tiempo, basado en el año 1900.

CCCC Corriente ecléctica

La unidad de intensidad de corriente eléctrica se llama amperio que se define como la

intensidad de corriente la cual, cuando se mantienen dos conductores paralelos de longitudinfinita y sección transversal inelegible, separados a un metro en el vacío, producen una

fuerza igual a 2 x 10-7 MKS unidades de fuerza por metro.

CCCC Temperatura

El Kelvin es la unidad fundamental de temperatura del sistema SI. Se define como la

fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica de el punto triple del agua. Esta

definición fue adoptada por la CGPM en 1968, cuando se decidió cambiar el nombre de

grado Kelvin (ºK) por el de Kelvin (K) en honor a Lord Kelvin 2.




3 Violle, J.,1884, “Phil. Mag.(GB)”, 17, 563.

4 Wainder, C. W., 1909, “Acad, Sci. (France)” , 148, 1177.

CCCC Cantidad de sustancia

La masa molecular-gramo de una substancia (formula-gramo), denominada mol, se define

como la masa en gramos que contiene una formula química, así por ejemplo, un mol de

ácido fluorhídrico será igual 20.008 g, o sea, la suma de las masas atómicas de la formula

química de éste ácido (HF), ya que: (masa atómica del F = 19 g más H = 1.008 g ) =

20.008 g. Un mol de agua (H2O) será igual a 17.976 gramos. O bien un mol de ácido

sulfúrico H2SO4 será: 98 gramos ya que el hidrógeno tiene una masa de 1.008 umas, el

azufre de 32 y el oxígeno de 16 y se tienen dos hidrógenos, un azufre y cuatro oxígenos

por lo que la suma de ellos será 98.

CCCC Intensidad luminosa

La unidad fundamental de intensidad luminosa se llama candela. Se define como la

intensidad luminosa de un foco (origen) de luz, en dirección perpendicular, de una

superficie de 1/600,000 metros cuadrados de un cuerpo negro a la temperatura de 2042

K, bajo una presión de 101,325 Nm-2. El principio empleado en la definición de esta unidad,

fue sugerido por Violle3 en 1884 y el nombre de la unidad como tal, fue propuesto

por Wainder4 en 1909. Sin embargo no fue aceptado como unidad internacional hasta

1948.

Ahora bien, las unidades se deben de indicar en toda medida, ya que esta es parte

integral de ella, carece de sentido decir que la altura de Jameel Enrique es de 1.7. Cabría

hacer la siguiente pregunta ¿Qué significado tiene este valor? Y su respuesta

probablemente nos lleve a algunos países, los que utilizan el sistema métrico decimal, en

donde se entienda que son metros, sin embargo, en países donde no se utiliza el sistema

métrico decimal como por ejemplo: Inglaterra, Estados Unidos de América, Australia,

Nueva Zelanda, etc., por ejemplo, el 1.7 puede ser interpretado como una altura en pies.

Por lo anterior, y para que tenga un significado la proposición anterior, se deberáespecificar que la altura de Jameel Enrique es de 1.7 m.




1.8 Unidades Derivadas

De las unidades básicas, se derivan una gran cantidad de unidades que se obtienen

combinando las unidades básicas entre si, por ejemplo la superficie, la aceleración, el peso,

la densidad, la superficie, el volumen, la fuerza, la capacitancia, la conductancia y un gran

sin número de combinaciones entre las unidades fundamentales, representan este tipo de

unidades, algunos ejemplos se muestran en la tabla 1.4.

Cantidad Unidades Símbolo

Superficie metro cuadrado m2

Volumen metro cubico M

3

Fuerza newton N

Resistencia ohm S

Aceleración m/s2 a

Peso Kg m/s2 N (Newton)

Densidad Kg / m3 D

Tabla 1.4 Algunas unidades derivadas.

Observese que las unidades de fuerza y peso son iguales, es decir el peso es una

unidad de fuerza y no de masa como generalmente se confunde, es decir, que cuando una

persona dice que pesa 55 kilogramos esta en una gran confusión debido a que en primer

lugar los Kg son unidades de masa y no de peso. En caso de que quiera expresar su peso,

entonces debe de expresarlo en newton (N). De esta forma se toma la masa de la persona

y se multiplica por la aceleración debida a la gravedad en ese lugar y se tendrá el peso.

También debe de tenerse en cuenta que existen unidades mayores y menores, que

las unidades tanto fundamentales como derivadas, por ejemplo, el metro tiene unidades

mayores y menores como se puede observar en la tabla 1.5. De esta forma es más usual

expresar la densidad en gramos por centímetro cubico (g/cm3) que en kilogramos por metro

cúbico como se expreso anteriormente.




5 Jerrard, H. G. and McNeill, D. B., 1972, A Dictionary of Scientific Units, Chapman and Hall and Science Paperbacks, London.

Prefijo Símbolo Ejemplos

tera = 1012 T 1 terametro = 1'000'000'000,000 metros

giga = 109 g 1 gigametro = 1,000'000,000 metros

mega = 106 M 1 megametro = 1'000,000 metros

kilo = 103 k 1 kilometro = 1,000 metros

hecto = 102 h 1 hectómetro = 100 metros

deca = 10 da 1 decámetro = 10 metros

Metro

deci = 10-1 d 1 decímetro = 0.1 metros

centi = 10-2 c 1 centímetro = 0.01 metros

mili = 10-3 m 1 milímetro = 0.001 metros

micro = 10-6µ 1 micrómetro = 0.000001 metros

nano = 10-9 n 1 nanómetro = 0.000000001 metros

pico = 10-12 p 1 picómetro = 0.000000000001 metros

Tabla 1.5 Unidades de longitud en el SI.

Hay una gran cantidad de unidades derivadas, las cuales se deben ver en cursos

de física, sin embargo, es conveniente que los estudiosos que quieran adentrarse más en

este tema consulten entre otros libros el Diccionario de Unidades Científicas de Jerrard et

al5.

Ejercicios

1. ¿Porqué cree que el curso de química que cursa actualmente lo ayudará? 2. ¿Con que ciencias es afín la química?

3. Después de que lea esta pregunta, mire a su alrededor y ¿nombre diez

compuestos sintéticos que no se encuentren en la naturaleza?

4. ¿Ahora cite tres artículos que se encuentren a su alrededor que sean naturales?




5. ¿Qué etapas o pasos se llevan a cabo en el método científico?

6. ¿Cual es la función de un laboratorio?

7. Con sus propias palabras defina:

a) datos

b) hipótesis

c) teoría

d) ley

8. ¿Qué significado tienen para usted las letras SI?

9. ¿Qué unidades del SI se definen basandose en un objeto físico?

10. ¿Qué unidades cree usted que sean las más utilizadas en un laboratorio para?

a) longitud

b) volumenc) masa

d) peso

11. ¿Cual es la diferencia entre masa y peso?

12. Defina con sus propias palabras:

a) materia

b) propiedades de la materia

13. Con sus propias palabras, explique ¿qué es una unidad derivada?

14. Que unidades son las más utilizadas en el laboratorio para medir:

i. Superficie iv. Resistencia eléctrica.

ii. Volumen v. Aceleración

iii. Fuerza vi. Peso

15. Dentro de que unidades de longitud en el sistema SI, equivalen los siguientes

prefijos:

1. Deca vii. Deci

2. Hecto viii. Centi

3. Kilo ix. Mili4. Mega x. Micro

5. Giga xi. Nano

6. Tera xii. Pico

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