Fundamentos de Química: Materia, Átomos, Mezclas y Reacciones

¿Qué es la Química?

La química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que esta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía.

La Química y la Tecnología

La química y la tecnología se interrelacionan estrechamente en la búsqueda de mejoras para la vida humana, la salud y la protección del medio ambiente.

Materia y Mezclas

Materiales y Sustancias

• Materiales: Las diferentes formas de materia que componen las cosas.
• Sustancias: Materiales puros que no se pueden separar en componentes más simples por medios físicos.

Tipos de Mezclas

Las mezclas son materiales formados por dos o más sustancias puras que se pueden separar mediante procesos físicos en al menos dos componentes diferentes.

• Mezclas heterogéneas: Aquellas en las que es posible observar sus componentes a simple vista o con instrumentos ópticos básicos.
• Mezclas homogéneas: Aquellas en las que no se pueden distinguir sus componentes ni siquiera con instrumentos ópticos potentes. A menudo se les denomina disoluciones.

Separación de Mezclas

Métodos de Separación de Mezclas Heterogéneas

• Filtración: Separa sustancias basándose en el diferente tamaño de las partículas de cada componente (un sólido insoluble de un líquido).
• Decantación: Permite separar un sólido insoluble depositado en el fondo de un líquido, o dos líquidos inmiscibles de diferente densidad. Se deja reposar la mezcla para que las fases se separen (ejemplo: separar posos en el vino o la cerveza).

Métodos de Separación de Mezclas Homogéneas

• Destilación: Se basa en los diferentes puntos de ebullición de los componentes. La mezcla se calienta y los líquidos con menor punto de ebullición se transforman preferentemente en gas, que luego se condensa y recoge.
• Extracción: Sirve para separar una sustancia disuelta en un disolvente añadiendo otro disolvente inmiscible con el primero, pero en el que la sustancia deseada sea más soluble. También se usa para extraer sustancias de productos naturales.
• Cromatografía: Técnica que permite separar componentes de una mezcla basándose en su diferente afinidad por una fase estacionaria y una fase móvil. Se utiliza en diversas áreas, como la investigación forense.
• Cromatografía de gases: Una variante específica para separar componentes de mezclas gaseosas o sustancias volátiles (ejemplo: análisis del aroma del café).

Leyes Fundamentales

Ley de Conservación de la Masa

La ley de conservación de la masa (o ley de Lavoisier) establece que la masa total de un sistema cerrado se mantiene constante, independientemente de los cambios físicos o químicos que ocurran dentro del sistema. La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma. Esta ley se cumple mientras el sistema se mantenga cerrado.

Estructura de la Materia

Moléculas, Compuestos y Elementos

• Molécula: Partícula formada por dos o más átomos unidos químicamente (pueden ser del mismo elemento o de elementos diferentes).
• Compuestos: Sustancias puras formadas por la unión química de dos o más elementos diferentes en proporciones fijas. Se pueden descomponer en sustancias más simples (elementos) por medios químicos.
• Elementos químicos: Sustancias puras que no se pueden descomponer en otras más simples por medios químicos. Están formados por átomos del mismo tipo.

Métodos Químicos

Se refieren a procesos que involucran reacciones químicas para transformar sustancias. En algunos contextos, como la desinfección, también se refiere a sustancias letales para los microorganismos.

Modelos Atómicos

Representaciones teóricas de la estructura del átomo.

• Modelo de Dalton (principios del s. XIX): Propuso que los átomos son esferas sólidas, indivisibles e indestructibles que no se pueden partir o dividir.
• Modelo de Bohr (1913): Sugirió que los átomos no son esferas sólidas, sino que están compuestos por un núcleo muy pequeño (con protones y neutrones) donde se concentra la masa, y electrones que se mueven a su alrededor en órbitas o niveles de energía definidos, separados por espacio vacío.

Organización Electrónica y Enlaces

Estructura Electrónica del Átomo

La organización de los electrones en un átomo consiste en:

• Un núcleo atómico central (con protones y neutrones).
• Electrones distribuidos en capas o niveles de energía.
• La capa de valencia: La capa electrónica más externa, que ocupa la mayor parte del volumen del átomo y contiene los electrones de valencia, responsables de los enlaces químicos.
• Las capas internas (corazón del átomo): Las capas de electrones más cercanas al núcleo.

Enlace Químico

Un enlace químico es la fuerza de atracción que mantiene unidos a los átomos en las moléculas o compuestos. Se genera cuando los electrones de valencia son transferidos o compartidos entre dos o más átomos.

Conceptos Adicionales

Cannizzaro y las Masas Atómicas

• Masa atómica relativa (Ar): Es una medida de la masa de un átomo comparada con una unidad estándar (la unidad de masa atómica, uma). Se simboliza con Ar.
• Ejemplo: Ar(O) = 16 uma significa que la masa promedio de un átomo de oxígeno es aproximadamente 16 veces mayor que la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12 (la definición moderna de uma). La explicación original comparaba con el hidrógeno, indicando que la masa de un átomo de ese elemento (Oxígeno) es 16 veces mayor a la masa de un átomo de hidrógeno (aproximadamente).

Propiedades Periódicas

Se refieren al comportamiento periódico (que se repite a intervalos regulares) de diferentes propiedades físicas y químicas de los elementos químicos a medida que aumenta su número atómico, tal como se organiza en la tabla periódica.

Las 4R de la Sostenibilidad

Principios para la gestión de residuos y el consumo responsable:

• Rechazar: Evitar productos innecesarios o con exceso de embalaje.
• Reducir: Disminuir el consumo de bienes y energía.
• Reutilizar: Dar nuevos usos a los objetos en lugar de desecharlos.
• Reciclar: Procesar materiales usados para fabricar nuevos productos.

¿De qué estamos hechos? Composición Elemental

La composición elemental de los seres vivos (y otras materias) se puede clasificar según la abundancia de los elementos:

• Elementos mayoritarios: Presentes en grandes cantidades (ej., Oxígeno, Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno en seres vivos).
• Elementos traza: Presentes en pequeñas cantidades, pero esenciales (ej., Hierro, Zinc, Cobre).
• Elementos ultratraza: Presentes en cantidades ínfimas, cuya esencialidad puede ser difícil de determinar (ej., Selenio, Cromo).