Fundamentos Esenciales de la Química: Conceptos Clave y Estructura Atómica

Introducción a la Química

¿Qué es la Química?

La Química es la ciencia que estudia las transformaciones y los cambios de la materia.

¿Qué es la Materia?

La Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio.

¿Qué es la Ciencia?

La Ciencia es una serie de conocimientos comprobados y reproducibles.

Elementos Fundamentales (CHONPS)

Los elementos más comunes y esenciales en la química orgánica y biológica son:

• C: Carbono
• H: Hidrógeno
• O: Oxígeno
• N: Nitrógeno
• P: Fósforo
• S: Azufre

Disciplinas Relacionadas con la Química

La química se interrelaciona con diversas ciencias, incluyendo:

• Biología
• Matemáticas
• Geografía
• Ecología
• Botánica
• Zoología
• Genética

El Método Científico

El método científico es un proceso sistemático para investigar fenómenos, adquirir nuevos conocimientos o corregir e integrar conocimientos previos. Sus etapas principales son:

1. Observación: Recopilación de datos sobre un fenómeno.
2. Planteamiento del Problema: Formulación de una pregunta basada en la observación.
3. Hipótesis: Proposición de una explicación tentativa para el problema.
4. Experimentación y Resultados: Diseño y ejecución de experimentos para probar la hipótesis, y recopilación de los resultados.
5. Análisis y Comprobación: Interpretación de los resultados para verificar la hipótesis.
6. Conclusión: Aceptación o rechazo de la hipótesis.

Es importante distinguir entre:

• Teoría: Una explicación bien fundamentada de algún aspecto del mundo natural, basada en un cuerpo de hechos que han sido repetidamente confirmados a través de la observación y la experimentación.
• Ley Científica: Una descripción de un fenómeno observado en la naturaleza que se ha demostrado que es siempre cierto bajo ciertas condiciones.

Propiedades de la Materia

Propiedades Generales

Son aquellas que posee toda la materia, independientemente de su composición:

• Masa: Cantidad de materia de un cuerpo.
• Volumen: Espacio que ocupa un cuerpo.
• Peso: Fuerza con la que la gravedad atrae a la masa.
• Densidad: Relación entre la masa y el volumen (masa específica).
• Elasticidad: Capacidad de un cuerpo para recuperar su forma original después de ser deformado.
• Impenetrabilidad: Dos cuerpos no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo.

Propiedades Específicas (Particulares)

Son aquellas que permiten diferenciar una sustancia de otra. Se clasifican en:

Propiedades Físicas

Son aquellas que se pueden observar y medir sin cambiar la composición de la sustancia.

• Extensivas: Dependen de la cantidad de materia presente. Ejemplos: masa, volumen, peso.
• Intensivas: No dependen de la cantidad de materia. Ejemplos: densidad, punto de ebullición, punto de fusión, color, olor, dureza.

Propiedades Químicas

Describen la capacidad de una sustancia para transformarse en otra. Se relacionan con la estructura molecular y la reactividad. Ejemplos: combustibilidad, oxidación, reactividad con ácidos.

Conceptos Relacionados con la Materia

• Cuerpo: Una porción limitada de materia que ocupa un espacio.
• Sustancia Pura: Un tipo de materia con propiedades y composición definidas y constantes.
• Mezclas: La unión física de dos o más sustancias diferentes, donde cada una mantiene sus propiedades individuales.
  • Homogéneas: Aquellas en las que no se distinguen sus componentes a simple vista (ej. agua con sal disuelta).
  • Heterogéneas: Aquellas en las que sí se distinguen sus componentes a simple vista (ej. agua con aceite).
• Compuestos Químicos: La unión química de dos o más elementos químicos en proporciones fijas. Ejemplos: H₂O (agua), C₆H₁₂O₆ (glucosa).
• Elementos Químicos: Sustancias puras formadas por átomos con el mismo número de protones (mismo número atómico). Pueden existir como átomos individuales o como moléculas formadas por la unión de átomos iguales. Ejemplos: H₂ (hidrógeno molecular), O₂ (oxígeno molecular), N₂ (nitrógeno molecular).
• Átomo: La partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades químicas.

Estados de la Materia

La materia puede presentarse en diferentes estados físicos, dependiendo de las condiciones de presión y temperatura:

• Sólido: Posee forma y volumen definidos.
• Líquido: Posee volumen definido, pero toma la forma del recipiente.
• Gaseoso: No posee forma ni volumen definidos, ocupa todo el espacio disponible.
• Plasma: Estado de la materia en el que los átomos están ionizados (gas de iones y electrones libres).

Cambios de la Materia

La materia puede experimentar diferentes tipos de cambios:

• Cambios Químicos: Alteran la composición interna de la sustancia, formando nuevas sustancias. Ejemplos: combustión, fermentación, descomposición, oxidación.
• Cambios Nucleares: Alteran el núcleo de los átomos, liberando grandes cantidades de energía. Ejemplos: fusión nuclear, fisión nuclear.
• Cambios Físicos: Alteran la forma o el estado de la materia, pero no su composición química. Ejemplos: solidificación, sublimación, evaporación, condensación, fusión, ebullición.

Definiciones de Cambios de Estado y Nucleares

• Fisión Nuclear: División de núcleos atómicos pesados en núcleos más ligeros.
• Fusión Nuclear: Unión de núcleos atómicos ligeros para formar uno más pesado.
• Solidificación: Paso de Líquido a Sólido.
• Sublimación: Paso directo de Sólido a Gas (sin pasar por líquido).
• Fusión (de estado): Paso de Sólido a Líquido.
• Evaporación/Vaporización: Paso de Líquido a Gas.
• Condensación: Paso de Gas a Líquido.
• Deposición (o Sublimación Inversa): Paso directo de Gas a Sólido.

Estructura Atómica

Postulados de la Teoría Atómica de Dalton (Principios Fundamentales)

• La materia está formada por átomos, pequeñas partículas indivisibles e indestructibles.
• Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en masa y propiedades.
• Los átomos de diferentes elementos tienen distinta masa y propiedades.
• Los átomos de distintos elementos se combinan entre sí en proporciones numéricas sencillas para formar compuestos.
• En una reacción química, los átomos se reordenan, pero no se crean ni se destruyen.

Partículas Subatómicas

• Protón: Partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva (+1), igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa de aproximadamente 1 unidad de masa atómica (uma). Se encuentra en el núcleo del átomo.
• Electrón: Partícula que se encuentra alrededor del núcleo del átomo (en la nube electrónica) y que tiene carga eléctrica negativa (-1). Su masa es mucho menor que la del protón o neutrón.
• Neutrón: Partícula elemental del núcleo del átomo que no tiene carga eléctrica (carga neutra) y una masa similar a la del protón (aproximadamente 1 uma).

La Tabla Periódica de los Elementos

Definición

La Tabla Periódica es una organización sistemática de los elementos químicos, ordenados por su número atómico creciente y agrupados según sus propiedades químicas y físicas recurrentes.

Grupos y Períodos

La Tabla Periódica se organiza en:

• Grupos (Columnas Verticales): Los elementos en un mismo grupo comparten propiedades químicas similares debido a que poseen la misma cantidad de electrones de valencia. Por ejemplo:
  • Los elementos del Grupo 1 (IA) tienen una valencia de 1 (un electrón en su último nivel de energía) y tienden a perder ese electrón para formar iones positivos (+1).
  • Los Gases Nobles (Grupo 18 o VIIIA), ubicados en la última columna a la derecha, tienen su último nivel de energía completo (cumplen la regla del octeto, excepto el Helio), lo que los hace extremadamente estables y poco reactivos.
• Períodos (Filas Horizontales): Indican el número de niveles de energía que tienen los átomos de los elementos.

Propiedades Periódicas Clave

• Electronegatividad: Es la medida de la capacidad de un átomo para atraer los electrones compartidos en un enlace químico dentro de una molécula.
• Electrones de Valencia: Son los electrones que se encuentran en el nivel de energía más externo del átomo. Son los responsables de las interacciones químicas entre átomos, determinando su reactividad y la formación de enlaces.
• Valencia: Es el poder o capacidad de combinación de un elemento, tradicionalmente medido por el número de átomos de hidrógeno, cloro o potasio con los que se combina un átomo de dicho elemento, o por los que puede ser sustituido en un compuesto.