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Introducción

Este material bibliográfico es el resultado de investigaciones dedicadas a la investigación de la primera materia que introduce al alumno en el mundo de la química: la Química.

Química. Es, como su nombre lo indica, la parte de la química que debe sentar las bases para estudios más avanzados de esta ciencia. Al aprender Química, se aprende a entender el comportamiento de los átomos y las moléculas, lo que además permite comprender mejor otras áreas de la ciencia, latecnología y la ingeniería moderna.

Objetivo: Es ayudar al estudiante a manejar con soltura conceptos básicos de la química y afianzar los mismos para un estudio más profundo de la ciencia química. Está dirigido, particularmente, a los jóvenes estudiantes.

Propósito: Es que sea una Guía Didáctica para el aprendizaje de la Química que destaque los conocimientos y habilidades indispensables con los que debe contar un estudiante que ha cursado o cursa la asignatura

Agradecimientos.

La realización de un material como el presente requirió de la participación de muchas personas y no hubiera sido posible sin la colaboración de cada uno de los integrantes de nuestro equipo.

Modelos Atómicos

Historia de Los Modelos Atómicos: Desde la antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de que se encontraba hecha la materia.400 años antes de cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia está constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas Por eso llamó a estas como Átomos, que en griego significa ""indivisible"". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, Inmutables e indivisibles. Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y tuvieron que pasar cerca de 2200 años para que la idea de los Átomos fuera retomada.

Masa Materia y Energía

Materia

-La Materia: Es todo aquello que tiene dimensiones, presenta inercia y origina gravitación. Para referirnos a los objetos usamos términos como materia, masa, peso, volumen. Para clarificar los conceptos, digamos que:

-Materia: es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio;

-Masa: es la cantidad de materia que tiene un cuerpo;

-Volumen: es el espacio ocupado por la masa

-Cuerpo: es una porción limitada de materia

Por ejemplo un cuerpo de 10 kg tiene el doble de inercia que un cuerpo de 5 kg, es decir, para conseguir que los dos se mueven de la misma forma, será preciso ejercer el doble de fuerza sobre el primero que en el segundo.

Un Error muy frecuente con el concepto de masa es se cree que los cuerpos más grandes tiene siempre más masa y la verdad es que No hay relación directa entre el tamaño y la masa, ya que la masa de un cuerpo puede estar más o menos compacta y ocupar más o menos volumen. La relación entre la masa de un cuerpo y su volumen (tamaño) viene determinada por la densidad. También se cree que masa que peso son lo mismo pero No es así, la masa de un cuerpo mide su inercia, mientras que el peso mide la fuerza con la que el objeto es atraído por la Tierra.

Energía El movimiento de los constituyentes de la materia, los cambios químicos y físicos y la formación de nuevas sustancias se originan gracias a cambios en la energía del sistema; conceptualmente, la energía es la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potencial o cinética. La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.

Para que un cuerpo o sistema material sufra transformaciones, tiene que interaccionar con otro. El calor transferido entre dos cuerpos o sistemasmateriales a distinta temperatura es un agente físico capaz de producir transformaciones en la materia.

Se realiza trabajo sobre un cuerpo cuando este se desplaza bajo la acción de la fuerza que actúa total o parcialmente en la dirección del movimiento. El calor y el trabajo son los agentes físicos que producen transformaciones en la materia.

Una transformación es cualquier cambio de las propiedades iniciales de un cuerpo o sistema material. Por ejemplo, un cambio de posición, aumento o disminución de la temperatura, deformación o cambio de forma, cambio de volumen, etc.

La energía es la capacidad que tienen los cuerpos o sistemas materiales de transferir calor o realizar un trabajo, de modo que, a medida que un cuerpo o un sistema transfieren calor o realiza un trabajo su energía disminuye. 

Poseer un referente de la cantidad de energía que se intercambia en las diferentes interacciones de la materia requiere de patrones de medición. Como la forma de energía que tiene mayor expresión es la energía calórica, entendida ésta como la energía que se intercambia entre dos sustancias cuando existe diferencias de temperatura entre ambas, trataremos las unidades de medida de esta. La cantidad de energía cedida o ganada por una sustancia se mide en calorías o joule. Una caloría (cal) es igual a la cantidad de calor necesario para elevar de 14,5o  C a 15,5o  C  1 gramo de agua. Como factor de conversión diremos que una caloría equivale a 4,184 joule.

Las variaciones de energía en los sistemas materiales

Las transformaciones que suceden en los sistemas materiales pueden describirse mediante los cambios que se producen en la energía.

La energía y sus formas:

-Energía mecánica: Es la que poseen los cuerpos por el hecho de moverse a una determinada velocidad (cinética) o de encontrarse desplazados de su posición (potencial).

-Energía térmica: Esta energía se debe al movimiento de los átomos o moléculas que componen un cuerpo. La temperatura es la medida de esta energía.

-Energía electromagnética: Es la que transportan las llamadas ondas electromagnéticas, como la luz, las ondas de radio, y TV, las microondas, etc.

-Energía interna: Bajo esta denominación se engloban todas las formas de energía existentes en el interior de un cuerpo.

-Energía química: Es la energía que se desprende o absorbe de las reacciones químicas, como, por ejemplo, en una reacción de combustión.

-Energía nuclear: Es la que se genera en los procesos de fisión nuclear (ruptura del núcleo atómico) o de fusión nuclear (unión de dos o más núcleos atómicos).

Fuentes de energía no renovables.

Proceden de recursos existentes en la naturaleza de forma limitada. Los más importantes son La energía obtenida de la combustión de fósiles (Carbón, petróleo y gas natural)

Extracción petrolífera

• La energía nuclear, que utiliza la energía liberada en las reacciones nucleares para la producción de energía eléctrica o térmica.

    Fuentes de energía renovables.

Proceden de recursos naturales inagotables.

• Energía geotérmica: Aprovecha el calor interno de la Tierra y se emplea para generar electricidad o para calefacción.

• Energía hidráulica: Aprovecha los saltos de agua de las presas de los pantanos para generar energía eléctrica.

• Energía solar: Se basa en el aprovechamiento de la energía que nos llega del Sol para transformarla en energía eléctrica o transferirla a circuitos de calefacción o agua caliente.

• Energía eólica: Aprovecha la fuerza de los vientos para hacer girar las aspas que mueven las turbinas de los generadores de energía eléctrica.

• Energía mareomotriz: Hace uso del movimiento de las masas de agua que se producen en las subidas y bajadas de las mareas.

• Energía de la biomasa: Consiste fundamentalmente en el aprovechamiento energético de los residuos naturales (forestales, agrícolas,...) o los derivados de la actividad humana (residuos industriales o urbanos).

Ley de la conservación de Masa-Energía

Para concluir esta parte temática,  abordemos una pregunta: en el momento de ocurrir un cambio físico o químico (reacción química) en una sustancia, ¿existe pérdida de masa y/o energía?

Antoine Laurent Lavoisier (743-1749) y James Prescott Joule (1818-1889), dedicaron parte de su trabajo científico en la solución de este problema, llegando a la conclusión de que en las reacciones químicas y en los cambios físicos las masas de las sustancias participantes no se crean ni destruyen, solo se transforman; esta conclusión se conoce con el nombre de Ley de la conservación de la masa. 

Escalas de observación del mundo material

La escala de observación macroscópica es aquella que podemos percibir a través de nuestros ojos. La escala de observación microscópica es aquella que no podemos ver con nuestros ojos y  se basa en La observación directa que requiere la utilización de instrumentos adecuados, como microscopios ópticos, electrónicos, etc. Y La observación indirecta  que se basa en que a partir de echos experimentales observables a escala macroscópica, se idean modelos y establecen leyes y teorías que describen el comportamiento de la materia a escala microscópica.

Los órdenes de magnitud

La observación de la materia nos permite reconocer tamaños muy variados que van desde el tamaño más pequeño que es el del núcleo de un átomo(0,000 000 000 000 001 m) al tamaño mayor que es el

Del diámetro del universo (100 000 000 000 000 000 000 000 000 m).  Para simplificar la escritura y la lectura de estos números se emplea la notación científica, que consiste en escribirlos como potencias de diez.

El mundo material se organiza en órdenes de magnitud, así pues se pueden establecer comparaciones.

-Un sistema material A es un orden de magnitud mayor que B, lo que significa que A es unas diez veces mayor que B.

-Un sistema material A es dos órdenes de magnitud mayor que B, es decir, A es unas cien veces mayor que B.

Un cuerpo o sistema material es tantos órdenes de magnitud mayor que otro como indica el exponente de la potencia de diez que resultaría de dividir sus respectivos tamaños

1.3 Elementos, compuestos y mezclas.

Un elemento es una sustancia que no se puede separar en otras más sencillas por medios químicos ejemplo: el Hidrógeno (H), el Oxígeno (O), elHierro (Fe), el Cobre (Cu). . Los Compuestos son Sustancias puras posibles de descomponer mediante métodos químicos ordinarios, en dos o más sustancias, ejemplos: El agua (H2O), la sal (NaCl), el ácido Sulfúrico (H2SO4). Sustancias y mezclas

Una sustancia es una forma de materia que tiene composición definida (constante) y propiedades distintivas. Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la que éstas conservan sus propiedades. Las mezclas pueden ser Homogéneas o Heterogéneas.

Mezcla Homogénea: Es aquella que es uniforme en su composición y en sus propiedades y presenta una sola fase, ejemplo de ello sería un refresco gaseoso, la solución salina, el Cloruro de Sodio o sal de cocina; este tipo de materia se presenta en formas homogéneas, soluciones y sustancias puras. Mezcla Heterogénea: Es aquella que carece de uniformidad en su composición y en sus propiedades y presenta dos o más fases, ejemplo de ello sería la arena, el agua con aceite; este tipo de materia es también conocida como mezcla y se caracteriza por el mantenimiento de las propiedades de los componentes y la posibilidad que existe de separarlos por medio de métodos físicos.

Estados Físicos y Químicos de la materia

Estados físicos de la materia

La materia presenta tres estados físicos, dependiendo de factores ambientales como la presión y la temperatura; independiente de ello, el aspecto de la materia está determinado por las propiedades físico-químicas de sus componentes, encontrándose materia homogénea y materia heterogénea. Al menos en principio, todas las sustancias pueden existir en tres estados:

Las propiedades químicas hacen que una materia reaccione en ciertas condiciones o frente a determinados reactivos.

Todas las propiedades mensurables de la materia corresponden a una de dos categorías adicionales: Propiedad extensiva depende de la cantidad de materia que se considere. Propiedad intensiva no depende de cuánta materia se considere.

Propiedades del agua

El agua es una sustancia muy importante, una gran parte del cuerpo de un organismo está formado por el agua.

Propiedades físicas: El agua es un líquido inodoro e insípido. Tiene un cierto color azul cuando se encuentra en grandes masas. Su capacidad calorífica es mayor a la de cualquier otro líquido o sólido, siendo su calor específico de 1 cal/g esto significa que una masa de agua puede absorber y desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar  apenas cambios de temperatura, lo que tiene gran influencia en el clima. El agua se congela a 0o grados Celsius (C) y hierve a 100 grados Centígrados (al nivel del mar). El agua en su forma sólida, hielo, es menos densa que en su forma líquida, por eso el hielo flota. El agua tiene una tensión superficial muy alta. Es pegajosa y elástica y tiende a unirse en gotas. La tensión de la superficie es la responsable de que el agua pueda moverse (y disolver substancias) a través de las raíces de plantas y a través de los pequeños vasos sanguíneos en nuestros cuerpos.

Propiedades químicas: El agua es el compuesto químico más abundante que tiene mayor significado para nuestra vida. Su mayor importancia, desde el punto de vista químico, reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, también en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, esto es en disolución. Se dice que el agua es el disolvente universal, puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella. No posee propiedades ácidas ni básicas, combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los óxidos de metales formando ácidos y actúa como catalizador en algunas reacciones químicas. Puede formar hasta 4 enlaces de hidrógeno por molécula. Puede ceder dos átomos de Hidrógeno y es capaz de aceptar otros dos. Así forma una malla tridimensional, que determina, además de alguna de las propiedades físicas enumeradas (su máxima densidad a 4ºC y sus elevados puntos de fusión y de ebullición), su capacidad para solubilizar moléculas con grupos polares y los mecanismos de muchas reacciones hidrológicas.

Separaciones de Mezclas

Las sustancias se encuentran formando mezclas y compuestos que es necesario separar y purificar, para estudiar sus propiedades tanto físicas como químicas.

Los procedimientos físicos por los cuales se separan las mezclas se denominan métodos de separación, que son los siguientes:

DECANTACIÓN: Consiste en la separación de un sólido de grano grueso, insoluble, en un líquido; consiste en verter cuidadosamente el líquido, después de que se ha sedimentado el sólido.  Por este proceso se separan dos líquidos miscibles, de diferente densidad, por ejemplo, agua y aceite.

FILTRACIÓN: Es un tipo de separación mecánica, que sirve para separar sólidos insolubles de grano fino de un líquido en el cual se encuentran mezclados; este método consiste en verter la mezcla a través de un medio poroso que deje pasar el líquido y retenga el sólido.  Los aparatos usados se llaman filtros; el más común es el de porcelana porosa, usado en los hogares para

Purificar el agua. Los medios más porosos más usados son: el papel filtro, la fibra de vidrio o asbesto, telas etc. En el laboratorio se usa el papel filtro, que se coloca en forma de cono en un embudo de vidrio, a través del cual se  hace pasar la mezcla, reteniendo el filtro la parte sólida y dejando pasar el líquido.

DESTILACIÓN: Es el proceso mediante el cual se efectúa la separación de dos o más líquidos miscibles y consiste en un a evaporación y condensación sucesivas, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada uno de los líquidos, también se emplea para purificar un líquido eliminando sus impurezas.

EVAPORACIÓN: Es la separación de un sólido disuelto en un líquido, por calentamiento, hasta que hierve y se transforma en vapor. Como no todas las sustancias se evaporan con la misma rapidez, el sólido disuelto se obtiene en forma pura.

CRISTALIZACIÓN: Separación de un sólido soluble y la solución que lo contiene, en forma de cristales. Los cristales pueden formarse de tres maneras:

*   Por fusión: para cristalizar una sustancia como el azufre por este procedimiento, se coloca el azufre en un crisol y se funde por calentamiento, se enfría y cuando se ha formado una costra en la superficie, se hace un agujero en ella y se invierte bruscamente el crisol, vertiendo el líquido que queda dentro. Se observará una hermosa malla de cristales en el interior del crisol.

* Por disolución: Consiste en saturar un líquido o disolvente, por medio de un sólido o soluto y dejar que se vaya evaporando lentamente, hasta que se han formado los cristales.  También puede hacerse una disolución concentrada en caliente y dejarla enfriar. Si el enfriamiento es rápido, se obtendrán cristales pequeños, y si es lento, cristales grandes.

* Sublimación: Es el paso directo de un sólido gas, como sucede con el Yodo y la naftalina al ser calentados, ya que al enfriarse, los gases originan la cristalización por enfriamiento rápido.

CENTRIFUGACIÓN: Consiste en la separación de los componentes de una mezcla que tienen diferentes densidades. Se usa un aparato llamado centrífuga que realiza un movimiento rotatorio y hace que los materiales más densos se depositen en el fondo del envase, mientras que los más livianos permanecen en la superficie. Esta técnica se puede usar para separar líquidos y sólidos de líquidos.

Conclusiones

En esta investigación se dio a conocer los conceptos básicos de la química ,en cada uno de los temas anteriores, a lo largo de la historia (y hasta la fecha) filósofos y científicos se han preguntado de qué está hecha la materia, y esto ha quedado claro con el descubrimiento del átomo y su mejoramiento a través de los años.

Se comprendió que todo lo que nos rodea es materia podemos verla o tocarla; y que esta posee masa. La materia puede presentar diferentes formas dependiendo de la energía térmica a los que se ven sometidos y los cambios tanto físicos como químicos a los que se transforman.

También se concluyó que el agua es un componente de nuestra naturaleza. Su naturaleza se compone de tres átomos, dos de oxígeno que unidos entre si forman una molécula de agua, H2O.