La materia se describe como la sustancia de la que
estan hechas todas las cosas materiales del universo, como el agua, sal,
arena, azúcar, acero, las estrellas e incluso el aire, ya que contiene
gases.
Por lo tanto, el campo de estudio de la Química es muy amplio
y se apoya de diferentes ramas para su estudio:
Ramas de la Química:
Rama | Estudia | Aplicación |
Química Inorganica | Todos los componentes de origen
mineral, y los compuestos que no tienen carbono. | Industria metal,
minería, y mecanica. |
Química Organica | La mayoría de los compuestos del
carbono, que provienen de los seres vivos y los artificiales. | Industria
petrolera, plasticos, cosméticos, pinturas, etc. |
Bioquímica | Las sustancias resultantes de las reacciones
químicas que se presentan en los seres vivos. | Industria alimentaria y
farmacéutica. |
Fisicoquímica | Los principios físicos de la estructura de
la materia (peso, densidad, etc.) y las transformaciones químicas.
| Industria Eléctrica y Nuclear. |
Química Analítica | La identificación,
separación y determinación cuantitativa (cuanto es) y
cualitativa (qué es) de los componentes de las sustancias. |
Laboratorios químicos y clínicos. |
La materia |
Materia es todo aquello que tiene masa e inercia y ocupa un lugar en el
espacio.
La materia puede presentarse en diferentes formas o “estados de
agregación”, los cuales son sólido, líquido y
gaseoso.
La materia puede presentarse o cambiar a alguno de estosestados
cuando es sometida a cambios de presión y temperatura (observa en
el siguiente diagrama). Por ejemplo, el sólido al recibir calor se puede
transformar en gasesoso y viceversa. O bien, el líquido se
transforma a gaseoso, y el sólido al líquido.
Imagen para fines educativos: http://www.tecnicsuport.com/clima/formacio/caes/caes_2.gif
|
Tiempo atras se solía confundir la masa con el peso, pero gracias
a la exploración del hombre hacia el espacio, (su arribo a la luna) se
hizo mas notable la diferencia de cada una.
Por ejemplo: tu peso es menor en la Luna que en la Tierra. Por ello
flotas en la Luna, reacción que no ocurre en la Tierra.
El peso es la acción que la fuerza de gravedad ejerce sobre
la masa de un objeto en particular; en cambio, la masa es un parametro
que mide la cantidad de la materia.
| | | |
Característica | Sólido | Líquido | Gas |
Movimiento molecular | Las moléculas poseen movimiento vibratorio. |
Tienen movimiento rotatorio, resbalan y ruedan unas sobre otras, a manera
de canicas. | Exhiben un movimiento rectilíneo (como el “disco de
hockey”). Chocan contra las paredes de los recipientes que las contienen.
|
Unión molecular | Se encuentran muy cercanas entre sí. | La
distancia entre las moléculas es mas pequeña, y cambian de
lugar sin ocupar posiciones fijas. | La distancia entre las moléculas es
muy grande. Los choques entre las paredes y las moléculas son muy
elasticas, no pierden energía. |
Forma | Definida. | Ladel recipiente que lo contiene. | No posee forma propia.
|
Volumen | Definido y constante. | Definido y constante. | Indefinido, ya que
ocupa todo el espacio disponible y se expande. Su volumen depende de la
temperatura y la presión a la que se encuentra, de forma que al aumentar
la temperatura, su volumen también aumentara. |
Otras formas de la materia:
Existen también otras formas de la materia que no pueden considerarse
como sólido, líquido o gaseoso, ya que en ocasiones se pueden
comportar como sólido, y luego como gas, o como líquido.
Estas formas son:
* Cristales líquidos:
Normalmente, cuando un sólido se funde pierde sus redes cristalinas y su
patrón tridimensional, pero cuando esta como un “cristal
sólido” pierde su organización en una sola
dimensión, presentandose en forma de bastones y
rompiéndose con facilidad. Ejemplos de esto son las pantallas de cristal
líquido (LCD, por sus siglas en inglés) que se utilizan en
relojes, termómetros, calculadoras y computadoras portatiles,
pues los cristales líquidos cambian de color a determinadas
temperaturas.
* Materiales amorfos:
Este tipo de agregación, aunque tenga forma y volumen definidos,
no se considera un sólido, ya que su red cristalina esta
incompleta y desarticulada. Como ejemplos podemos considerar a las ceras,
la mantequilla o el algodón de dulce.
* Plasmas (llamado el cuarto estado de la materia):
Es la forma mas común en el Universo, ya que el Sol y las
estrellas estan formados porplasma, sin embargo en la Tierra no es
el mas común. Este estado se forma a altas temperaturas y
esta conformado por un gas ionizado que conduce corriente eléctrica;
un ejemplo son las lamparas fluorescentes.
Características de la Materia:
La materia puede presentar “Cambios” y “Propiedades”:
Propiedad: Es una característica que nos ayuda a identificar o a
distinguir una sustancia de otra. Las propiedades pueden ser:
* Físicas. Permite identificar a la materia sin alterar su
composición interna. Por ejemplo: color, olor, sabor, brillo,
viscosidad, puntos de fusión y ebullición, densidad, solubilidad,
etc.
* Químicas. Permiten describir a la materia a través de su
comportamiento, al estar en contacto con otra sustancia, alterando su
composición interna. Por ejemplo: arde con el aire, reacciona con agua o
acidos, es tóxica, se descompone, explota, se corroe, etc.
Cambio: Modificación que sufre la materia. Los tipos de cambio pueden
clasificarse como:
* Físicos. Su composición interna no se altera. Por ejemplo:
cuando se corta un trozo de madera en pedazos, sigue siendo madera; cuando un
vela se funde, o cuando el agua hierve pasa de estado líquido a gaseoso,
etc. Estas situaciones son algunos de los ejempos en donde no existe
alteración en la composición de la materia.
* Químicos. En estos casos, la composición interna de la materia
cambia y se transforma en otra sustancia. Por ejemplo: la leche se tranforma en
yogurth, el carbón al arder seconvierte en cenizas, la cocción de
la carne, etc. Las reacciones químicas que se pueden presentar son
oxidación, combustión, fotosíntesis, fermentación y
reducción.
Clasificación de la materia:
Debido a la gran variedad de materia que existe, ésta se clasifica
según la clase de componentes que la contienen. Observa el siguiente
cuadro.
Ejemplos de cambios físicos:
Cuando tú enciendes una vela y empieza a derretirse, lo
único que cambia es la forma, pero sigue siendo cera, pues su
composición química original no resultó afectada.
Al trozar un tronco de madera, lo único que sucede es su
reducción en pequeños trozos, sin que le afecte
internamente; su material sigue siendo madera.
Ejemplo de cambios químicos:
Al encender al carbón para asar carne, éste es de color negro
antes de encenderlo; al agregar gasolina, alcohol, y fuego, empieza a quemarse,
convirtiéndose en cenizas blanquecinas, lo que significa que aquí
ocurrió un cambio interno en su composición, y ya no es la
sustancia que inicialmente teníamos.
Estructura atómica |
El atomo
La materia esta formada por atomos, que representan la
partícula mas pequeña e indivisible que interviene en una
reacción química. La estructura del atomo esta
formada por subpartículas llamadas electrones, protones y neutrones.
Subpartículas Atómicas
| Electrón | Protón | Neutrón |
Símbolo | e- | p+ | n 0 |
Carga | negativa | positiva | Neutra |
Masa Relativa | 1/1837 | 1 uma | 1 uma |
Ubicación en elatomo | Alrededor del núcleo del
atomo | Núcleo | Núcleo |
Modelos atómicos
Para llegar a este descubrimiento, el hombre recorrió un largo
camino, que a continuación se revisa:
I. El filósofo griego Demócrito, (384-322 a.C.), declaró
que la materia estaba formada por partículas indivisibles, a las que
llamó “atomos”.
II. En 1803 −casi a dos siglos, de la afirmación de
Demócrito−, un maestro inglés llamado John Dalton
propuso la 1ª teoría atómica completa, donde establece los
siguientes enunciados:
1. Todos los elementos estan formados por atomos iguales.
2. Todos los atomos de un elemento son exactamente iguales entre
sí, pero diferentes a los atomos de otros elementos.
3. Los atomos de diferentes elementos pueden combinarse para formar
compuestos.
| Todo lo anterior le permite proponer a Dalton el primer modelo
atómico. “Modelo de la Esfera o Bola de Billar” |
III. En 1879, Joseph J. Thomson con el uso del “Tubo de Rayos
Catódicos”, descubre unas partículas de carga negativa, que
mas tarde fueron conocidos como electrones (e-), a partir de lo
cual propone su modelo atómico.
| “Modelo del Pudín de Pasas” |
IV. En 1886, Eugen Golstein descubre otras partículas pero de carga
positiva, que fueron llamadas protones (p+) y se encuentran situadas en
el núcleo del atomo.
|
Imagen para fines educativos: http://www.notapositiva.com/trab_estudantes/trab_estudantes/
fisico_quimica/ 10historiadoatomo/10historiadoatomo3.jpg |
V. Para el añode 1911, Ernerst Rutherford descubre el núcleo del
atomo, donde se encuentran las partículas llamadas protones y
neutrones, que poseen la mayoría de la masa de un atomo. Con este
descubrimiento Rutherford propone un modelo donde los electrones se encuentran
en forma de satélites alrededor del núcleo.
VI. En el año de 1913, Neils Borh propone un “modelo
atómico” que enuncia lo siguiente:
* Los electrones giran alrededor del núcleo en orbitas circulares
(niveles) de energía específica.
* Cada nivel de energía puede contener cierto número de
electrones, y este número se da por la formula: 2n2. Ejemplo: 2
(1) 2 = 2, a lo cual en el 1er. nivel sólo puede haber 2
electrones, y así sucesivamente.
* Cuando los electrones permanezcan en un determinado nivel no pierden, ni
ganan energía.
* Cuando ganan o pierden energía, saltan de una órbita permisible
a otra.
“Modelo del Sistema Solar”
VII. Erwin Schrödinger, físico austriaco, formula ecuaciones para
calcular la distribución de los electrones y descubrir que no se
encuentran en niveles definidos, como propuso Niels Bohr, sino que se
encontraban en subniveles y niveles, asemejando una nube electrónica,
dando así origen al Modelo Actual, o también llamado de la
Mecanica Cuantica, que se basa en las propiedades ondulatorias
del atomo y permite calcular por medio de parametros
cuanticos la ubicación o región en la que se encuentran
los electrones.
Imagen para fines
educativos:http://www.fortunecity.com/campus/dawson/196/actual.htm
VII. Por último, para el año 1932 James Chadwick descubre la
última partícula de carga neutra (sin carga), que fue llamada:
neutrón (n0) y se encuentra situada en el núcleo del
atomo.
Parametros Cuanticos
Nombre | Símbolo | Relación |
Principal | n | Representa la capa o nivel de energía. |
Secundario | l | Determina el tipo de subniveles posibles en donde se localiza
el electrón. Los tipos de subnivel pueden ser: s, p, d o f. |
Magnético | m | La orientación espacial de los orbitales. |
Spin | s | Determina el giro del electrón. |
El uso de la mecanica cuantica y las ecuaciones de Erwin
Schrödinger ayudaron a profundizar mas en la estructura
electrónica de los atomos. Ahora se sabe que cada nivel de
energía comprende también subniveles, y cada subnivel tiene uno o
mas orbitales, los cuales se representan por medio de las letras s, p, d
o f, y albergan un número maximo de electrones.
Tabla de Niveles y Subniveles
Nivel | Cantidad de subniveles | Tipo de orbital | Número de e- que
contiene |
1 | 1 | s | 2 (s) |
2 | 2 | s , p | 2 (s) + 6(p) = 8 |
3 | 3 | s, p, d | 2(s)+ 6(p)+ 10(d) = 18 |
4 | 4 | s, p, d , f | 2(s)+ 6(p) + 10(d) +14(f) = 32 |
Estos electrones se iran graficando en los niveles y subniveles de
manera concisa. A esta representación o diagrama se le conoce como
configuración electrónica.
Para graficar una configuración electrónica de cualquier elemento
de la tablaperiódica, se consideran las siguientes recomendaciones:
a. Conocer el número atómico del elemento, ya que corresponde al
número de electrones que graficaras.
b. Anotaras primero el número (1,2,3,4, etc.) del nivel;
después el subnivel s, p, d o f (letra), y por último en forma de
superíndice la cantidad de electrones que puede contener según el
número atómico. Ejemplo : 8O = 1 s2 , 2 s2, 2 p4
. 19K = 1 s2 , 2 s2, 2 p6 , 3 s2 , 3 p6, 4s1.
c. Usar el diagrama de energía de Auf-Bau (diagonal) para conocer
cual es el nivel y subnivel que iras graficando. Este diagrama de
construcción de niveles y subniveles te indica que deben irse llenado
primero los subniveles mas pequeños, aunque estén en un
nivel mas alto. Observa en la siguiente grafica el orden, que si
se coloca de manera lineal, quedaría como sigue: Primero se llena
el
1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d,7d
Imagen tomada de : http://www.uhu.es/quimiorg/atomos.html para fines
educativos.
d. Respeta la cantidad maxima de electrones que puede contener cada
nivel y subnivel de energía, de acuerdo la tabla de niveles y
subniveles.
e. Verifica la cantidad de electrones que graficaste, con el número
atómico.
Ejemplo
Observa que el Oxígeno tiene número atómico de 8, por lo
cual graficaras solamente los 8 electrones, quedando de la siguiente
manera: en el primer nivel colocaras sólo los dos electrones que
le caben en su respectivo subnivel “s”. Después brincas al
segundonivel, donde graficas el resto de los electrones, ya que este segundo
nivel puede albergar hasta 8 electrones en sus respectivos subniveles
“s” y “p”.
a. 8O = 1 s2 , 2 s2, 2 p4
b. 25Mn = 1 s2 , 2 s2, 2 p6 , 3 s2 , 3 p6, 4s2 ,3d5
Tabla periódica |
Historia de la tabla periódica:
Identificar los elementos presentes en las diferentes sustancias que conforman
la materia no es tarea facil; conocer la información que contiene
la tabla periódica llevó siglos. Por ejemplo las civilizaciones
griegas del siglo V a.C, creían que la materia sólo se
componía de 4 elementos (tierra, aire, fuego y agua); sin embargo, al
paso del tiempo quedó claro que ninguno de ellos contiene alguno de los
elementos. Después vino la Edad Media (500 y 1500 d.C), durante la cual
los alquimistas usaban símbolos para representar a los elementos y
buscaban incansablemente encontrar una fórmula que pudiera
convertir los metales en oro.
En la actualidad se usan símbolos que llevan letras (una
mayúscula seguida de una minúscula) tomadas del nombre del
elemento. Este sistema fue inventado por el químico sueco J.J.
Berzelius.
La tabla periódica moderna esta conformada de la siguiente
manera:
* Consta de siete líneas horizontales que representan los
“períodos”. Al observar la tabla veras que existen 2
líneas que quedan separadas del resto de la tabla, sin embargo forman
parte de las últimas 2 (líneas 6 y 7).
* Dieciocho líneas verticales, que son los “grupos” y
estan distribuidos en2 bloques.
* El bloque “A” comprende a los elementos
representativos. Son las 2 primeras líneas de izquierda a derecha, y las
últimas 6 de la izquierda, dando en total 8 grupos del bloque
“A”. Los grupos de este bloque reciben nombres de acuerdo a su
comportamiento, por ejemplo: El grupo IA es conocido como la familia de los
Metales Alcalinos; y IIA son los alcalinotérreos y así
sucesivamente.
* El bloque “B” lo complementan los elementos de transición,
y son las diez líneas verticales del centro.
* Los grupos o familias son representados por las letras y números
romanos.
Observa el siguiente ejemplo de una Tabla Periódica Moderna, donde
alberga los 115 elementos, que se les han dado nombre.
Imagen tomada de: http://www.dayah.com/periodic/
En la tabla los elementos se clasifican en grupos de gran importancia: Metales,
No Metales y Metaloides, y se van ordenando de izquierda a derecha
y en forma creciente a su número atómico.
Propiedades de los Metales, No metales y Metaloides |
Tipo de elemento | Propiedad Física | Propiedad Química |
Metales | * Tienen lustre, brillo. * Conducen calor y electricidad.
* Son maleables, dúctiles y tenaces. * Se combinan entre sí y
forman aleaciones, Ej.: Latón, acero, bronce etc. * Puntos de
fusión y ebullición altos. | * En su último nivel
de energía tienen de uno a tres electrones. * Se oxidan por
pérdida de e- y, se convierten en iones con carga positiva llamados
cationes. * Sonagentes reductores. |
No Metales | * No tienen brillo. * No son maleables, ni dúctiles. *
Malos conductores de la electricidad y el calor. * Son sólidos, gaseosos
y solamente el Bromo esta en estado líquido. * Puntos de
Fusión y Ebullición bajos. | * Por regla general, en su
último nivel de energía poseen de cuatro a siete
electrones. * Se reducen por ganancia de e- y, se convierten en iones con carga
negativa llamados aniones. |
Metaloides | * B, Si, Ge, As, Te, Po * Son sólidos. * Tiene brillo
metalico. * Semiconductores de la electricidad. * Son malos conductores
de calor. | * Tienen propiedades tanto de los metales como de los No metales, y
éstas dependen de las condiciones en las que reaccionan. |
Las propiedades físicas y químicas de los elementos se comportan
casi de igual manera cuando los elementos estan dentro de un
mismo grupo, pero cuando estan dentro de un mismo período
éstas tienden a variar de manera regular y periódica. Observa en
las siguientes imagenes el comportamiento de las siguientes propiedades
periódicas: energía de ionización, electronegatividad,
afinidad electrónica y radio atómico, y veras la tendencia
y el comportamiento dentro de un grupo y de un período.
* Energía de Ionización: Es la energía necesaria para
arrancarle un electrón a un atomo neutro, convirtiéndolo
en un ión con carga positiva (catión). La variación de
esta propiedad periódica se presenta de la siguiente manera: cuando
esta dentro de un período ira aumentando de izquierda
a derecha, pero cuando este dentro de un grupo disminuye de arriba hacia abajo.
* Electronegatividad: Es la capacidad del atomo de atraer y retener
electrones durante el enlace con otro atomo. Esta propiedad varía
de la siguiente manera: dentro de un período ira aumentando de
izquierda a derecha, pero dentro de un grupo aumentara de abajo hacia
arriba.
* Afinidad Electrónica: Es la tendencia que tienen los atomos de
atraer y ganar electrones, convirtiéndose en iones con carga negativa
(aniones). En esta propiedad su variación es como sigue: aumenta de
izquierda a derecha, dentro de un período, y en un grupo recibe poca
variación.
* Tamaño o Radio Atómico: Se refiere a la distancia que existe
entre el núcleo hacia los electrones que quedan en el último
nivel de energía (los mas externos). La variación es la
siguiente: dentro de un período disminuye de izquierda a derecha y al
estar dentro de un grupo aumentara de arriba hacia abajo.
Ejemplo
Proporciona el período y grupo de c/u de los siguientes elementos, e
identifícalos como elementos representativos o de transición, y a
qué tipo de elemento pertenece.
a) Cloro: Es un elemento representativo, considerado “No metal” que
se encuentra en el período 3 y pertenece al grupo
VIIA.
b) Fierro: Es un elemento del bloque de transición, considerado
“Metal de transición” que se encuentra en el período
4 y pertenece al grupo VIIIB.
