Conceptos Fundamentales de Química: Materia, Energía, Átomos y Reacciones

Conceptos Fundamentales de Química: Materia, Energía y Estructura Atómica

Materia y Energía

La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee masa. La energía, por su parte, se manifiesta en diversas formas y está íntimamente relacionada con la materia.

La materia presenta propiedades extensivas e intensivas:

• Propiedades Extensivas: Dependen de la cantidad de materia. Ejemplos incluyen la masa (cantidad de materia, constante en cualquier lugar) y el peso (fuerza con la que la Tierra atrae a un cuerpo, variable según la ubicación). El volumen (espacio ocupado por un cuerpo) también es una propiedad extensiva.
• Propiedades Intensivas: No dependen de la cantidad de materia. Incluyen los caracteres organolépticos (color, olor, sabor, textura) y las constantes físicas (punto de fusión, punto de ebullición, densidad).

Sistemas Materiales y Sustancias

Un sistema material es una porción de materia aislada para su estudio. Un cuerpo es una porción limitada de materia. A nivel microscópico, encontramos:

• Átomo: Mínima porción de materia capaz de combinarse.
• Molécula: Mínima porción de una sustancia que, en estado libre, conserva sus propiedades.

Las sustancias son clases de materia. Pueden ser:

• Puras Simples: Formadas por átomos iguales.
• Puras Compuestas: Formadas por átomos distintos.

Modelos Atómicos

Evolución de los Modelos Atómicos

1. Modelo de Thomson: Propuso una esfera maciza con carga positiva (+) que contenía electrones (-) distribuidos irregularmente.
2. Modelo de Rutherford: Estableció que el átomo tiene un pequeño núcleo con protones (+) y electrones (-) girando alrededor.
3. Modelo de Bohr: Introdujo la idea de que los electrones (-) poseen valores determinados de energía y giran alrededor del núcleo (+) en órbitas circulares (niveles de energía). Los electrones no emiten energía mientras se encuentran en estos niveles (niveles estacionarios). Cuando un electrón salta a un nivel inferior, pierde un "cuanto" de energía; cuando salta a un nivel superior, absorbe un "cuanto" de energía.
4. Descubrimiento del Neutrón (1932): Rutherford había supuesto en 1920 que en el núcleo, además de protones, existían otras partículas. En 1932, se confirmó la existencia del neutrón, partícula con masa similar a la del protón, pero con carga neutra.

Modelo Atómico Actual

El átomo está formado por un núcleo compuesto por protones (+) y neutrones (sin carga), y por electrones (-) que se encuentran fuera del núcleo. La masa del átomo se concentra en el núcleo.

Propiedades de los Átomos

• Un átomo es neutro porque la cantidad de electrones (-) es igual a la de protones (+).
• Ion: Átomo o grupo de átomos cargados eléctricamente. Un ion positivo (+) se llama catión, y un ion negativo (-) se llama anión.
• Número Atómico (Z): Número de protones en el núcleo.
• Número Másico (A): Suma de protones y neutrones en el núcleo.

Los metales tienden a ceder electrones, formando iones positivos (cationes). Los no metales tienden a ganar electrones, formando iones negativos (aniones).

Estructura Electrónica y Enlaces Químicos

Principio de Incertidumbre y Orbitales

Principio de Incertidumbre de Heisenberg: Es imposible conocer simultáneamente el momento y la posición de un electrón.

• Órbitas: Trayectorias que realizan los electrones alrededor del núcleo.
• Orbital: Zona tridimensional alrededor del núcleo, en un determinado nivel de energía, donde es más probable encontrar al electrón.

Configuración Electrónica y Números Cuánticos

La configuración electrónica describe la distribución de los electrones en un átomo. Los números cuánticos definen las características de los electrones:

• Número Cuántico Principal (n): Indica el nivel de energía y la distancia del electrón al núcleo (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).
• Número Cuántico Secundario (l): Señala el subnivel energético (s, p, d, f). Toma valores desde 0 hasta n-1.
• Número Cuántico de Spin (ms): Asociado con el giro del electrón sobre su propio eje.

Los orbitales se representan en casillas cuánticas. Los electrones tienen dos modos de movimiento: rotación (sobre su propio eje) y traslación (alrededor del núcleo).

Uniones Químicas

Una unión química es el conjunto de fuerzas que mantienen unidos a los átomos, iones o moléculas. Los átomos se combinan ganando, cediendo o compartiendo electrones. Los gases nobles son estables porque tienen 8 electrones en su nivel de energía más externo (excepto el Helio). La valencia se refiere a los electrones del último nivel de energía y es la capacidad que tiene un elemento para combinarse.

Teoría del Octeto: Un átomo se unirá a otro si puede ganar, perder o compartir electrones hasta completar 8 electrones en su nivel externo.

Tipos de Enlaces

• Enlace Iónico (metal + no metal): Forman sólidos a temperatura ambiente, redes cristalinas tridimensionales, con altos puntos de fusión y ebullición. En estado sólido, no conducen la electricidad. Se basa en la transferencia de electrones, formando iones.
• Enlace Covalente (no metal + no metal): Puede ser simple (N-O), doble (N=O) o triple (N≡O). Pueden ser líquidos, sólidos o gaseosos a temperatura ambiente. Algunos son solubles en agua, otros son solubles o insolubles. Son malos conductores del calor y la electricidad, y tienen bajos puntos de fusión y ebullición. Se basa en la compartición de electrones.
• Enlace Metálico (metal + metal): Los metales liberan electrones de valencia. Las sustancias metálicas conducen la corriente eléctrica porque los cationes metálicos están rodeados de electrones que se mueven libremente. Son buenos conductores del calor. El brillo metálico se debe a la facilidad de movimiento de los electrones. Son dúctiles (pueden formar hilos) y maleables (pueden formar láminas).

Compuestos Inorgánicos y Orgánicos

Metales en la Naturaleza

• Estado Nativo: Metales que no se combinan con otros elementos.
• Minerales: Compuestos presentes en la corteza terrestre de donde se obtienen los metales. La mayoría de los metales se encuentran formando sulfuros, haluros, silicatos y carbonatos.
• El hierro, el aluminio, el magnesio y el calcio son metales presentes en los minerales más abundantes.
• Metalurgia: Conjunto de procesos para obtener un metal a partir de un mineral.
• Yacimientos: Depósitos naturales de minerales.

Proceso metalúrgico simplificado:

1. Trituración del mineral.
2. Separación de la mena (parte útil) de la ganga (material no deseado).
3. Reducción del mineral.
4. Purificación del metal.

Clasificación de los Compuestos

• Compuestos Inorgánicos: Moléculas formadas por átomos de cualquier elemento, sin un elemento fundamental específico. Hay alrededor de 500,000 compuestos conocidos. Predominan las uniones iónicas. La mayoría son solubles en agua, tienen altos puntos de fusión y ebullición, y reaccionan instantáneamente. Abarcan los compuestos del reino mineral.
• Compuestos Orgánicos: Moléculas formadas por átomos fundamentales (C, H, O, N, P, S). Hay más de 2,000,000 de compuestos conocidos. Predominan las uniones covalentes. La mayoría son insolubles en agua, tienen bajos puntos de fusión y ebullición, y reaccionan lentamente. Estudian los compuestos que tienen o alguna vez tuvieron vida.
• Óxidos: Compuestos binarios formados por la combinación de un elemento (metal o no metal) con el oxígeno. La mayoría son solubles en agua y pueden ser básicos o ácidos.

Los compuestos se pueden clasificar en binarios, terciarios o cuaternarios según la cantidad de elementos que los forman. También se pueden agrupar en familias con propiedades químicas semejantes.

Reacciones Químicas

Una reacción química es la transformación de una o más sustancias (reactivos) en otras diferentes (productos). Una ecuación química representa de forma escrita una reacción química. Se divide en dos miembros separados por una flecha: a la izquierda los reactivos y a la derecha los productos.

• Reacción de Síntesis: Dos o más sustancias se combinan para formar una nueva sustancia.
• Reacción de Descomposición: Una sustancia se descompone en dos o más sustancias.

Fotosíntesis y Respiración Celular

Fotosíntesis: Proceso por el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la energía lumínica en energía química.

• Etapa Lumínica: Requiere luz solar.
• Etapa Oscura: No requiere luz solar directamente.

Fórmula de la Fotosíntesis: 6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂

Respiración Celular: Proceso por el cual las células obtienen energía a partir de la glucosa.

• Respiración Mecánica: Intercambio de gases (inspiración: ingreso de oxígeno; exhalación: salida de dióxido de carbono).

Fórmula de la Respiración Celular: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP

Etapas de la Respiración Celular:

1. Glucólisis
2. Ciclo de Krebs
3. Cadena Respiratoria

Fermentación: Proceso anaeróbico (sin oxígeno) de obtención de energía.

• Fermentación Láctica (fórmula): C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃
• Fermentación Alcohólica (fórmula): C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂