Fundamentos Esenciales de Química: Materia, Estructura Atómica, Reacciones y Aplicaciones

Fundamentos de la Química: Materia y Clasificación

Materia

Tiene masa, ocupa espacio y existe en cuatro estados principales: sólido, líquido, gas y plasma.

Clasificación de la Materia

• Sustancias Puras:
  • Elementos: Compuestos por un solo tipo de átomo.
  • Compuestos: Formados por la unión química de dos o más elementos.
• Mezclas:
  • Homogéneas: Uniformes a simple vista (Ejemplo: agua con sal).
  • Heterogéneas: Componentes visibles y distinguibles (Ejemplo: arena con agua).

Estructura Atómica y Enlaces Químicos

Modelos Atómicos Históricos

• Dalton: El átomo es indivisible.
• Thomson: Modelo del pudín de pasas; electrón incrustado en una esfera positiva.
• Rutherford: Núcleo positivo central; electrones orbitan alrededor.
• Bohr: Electrones se mueven en niveles de energía definidos.

Partículas Subatómicas

Las partículas fundamentales que componen el átomo son:

• Protón (p+): Carga positiva (+).
• Neutrón (n⁰): Carga neutra (0).
• Electrón (e-): Carga negativa (-).

Configuración Electrónica

Distribución de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energía. Ejemplo: Carbono (C): 1s² 2s² 2p².

Tipos de Enlaces Químicos

Iónico

Transferencia de electrones entre átomos.

Covalente

Compartición de electrones entre átomos.

Metálico

Electrones compartidos en una red metálica (mar de electrones).

Reacciones Químicas y Estequiometría

Componentes y Tipos de Reacciones

Una reacción química se representa como: Reactivos → Productos.

Tipos Comunes de Reacciones

• Síntesis
• Descomposición
• Sustitución (simple)
• Doble sustitución
• Combustión

Ley de Conservación de la Materia

La masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos (la materia no se crea ni se destruye).

Balanceo de Ecuaciones Químicas

Método de Tanteo: Consiste en ajustar los coeficientes estequiométricos para igualar el número de átomos de cada elemento en los reactivos y los productos.

Conceptos de Termodinámica y Energía

Sistemas Termodinámicos

El Sistema es la parte del universo que se somete a estudio.

Abierto

Intercambia materia y energía con el entorno.

Cerrado

Solo intercambia energía.

Aislado

No intercambia ni materia ni energía.

Definiciones de Energía

Calor

Energía transferida debido a una diferencia de temperatura.

Térmica

Energía asociada al movimiento aleatorio de las partículas (relacionada con el calor).

Cinética

Energía que posee un cuerpo debido a su movimiento.

Gases Ideales e Interacciones Moleculares

Ley de los Gases Ideales y Teoría Cinética

Ley de los Gases Ideales: La ecuación PV = nRT relaciona la presión (P), el volumen (V), la temperatura (T) y la cantidad de gas (n).

Teoría Cinética Molecular: Establece que las partículas de gas están en constante movimiento aleatorio y colisionan de manera elástica.

Interacciones Moleculares

Intramoleculares

Enlaces que mantienen unidos a los átomos dentro de la molécula (iónico, covalente, metálico).

Intermoleculares

Fuerzas de atracción que existen entre moléculas (Puentes de hidrógeno, dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de London).

Química Ambiental y Procesos Biogeoquímicos

Ciclo del Carbono y Fotosíntesis

Ciclo del Carbono

Movimiento continuo del carbono entre la atmósfera, los organismos vivos y el suelo.

Fotosíntesis

Proceso vital donde las plantas utilizan la luz solar para convertir el dióxido de carbono (CO₂) y el agua en glucosa y oxígeno (O₂).

Impacto Ambiental

Efecto Invernadero

Fenómeno natural donde gases atmosféricos (principalmente CO₂ y CH₄) atrapan el calor, manteniendo la temperatura del planeta.

Calentamiento Global

Aumento sostenido de la temperatura media terrestre causado por el exceso de gases de efecto invernadero de origen antropogénico.

Lluvia Ácida

Formación e Impacto

Se forma cuando las emisiones de dióxido de azufre (SO₂) y óxidos de nitrógeno (NOₓ) reaccionan con el agua atmosférica, creando ácidos. Causa daño a ecosistemas, corrosión de estructuras y acidificación del agua.

Clasificación de Soluciones y Aplicaciones Químicas

Clasificación Detallada de Mezclas

Según el tamaño de las partículas dispersas:

• Soluciones: Mezclas homogéneas donde las partículas son invisibles (Ejemplo: Sal disuelta en agua).
• Coloides: Partículas pequeñas en suspensión que no sedimentan (Ejemplo: Leche).
• Suspensiones: Partículas grandes y visibles que tienden a sedimentar (Ejemplo: Arena en agua).

Aplicaciones de la Química en la Vida Diaria

Plásticos

Fabricación de polímeros sintéticos utilizados en envases y utensilios.

Vidrio

Material obtenido de la sílice fundida, esencial para ventanas y recipientes.

Nanotecnología

Manipulación de materiales a escala nanométrica, con aplicaciones cruciales en medicina y electrónica.