unidad i química básica

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT Área de Ciencias Básicas e Ingenierías

UNIDAD I. Fundamentos de química.

La Química es considerada como una ciencia que día con día se desarrolla e

interviene en todos los aspectos de nuestra vida, es una de las ciencias que más

contribuyen en el desarrollo de la civilización.

Con sus descubrimientos, la humanidad dispone actualmente de una gran variedad

de satisfactores, la tecnología química es la base de la industria química, la cual

produce una increíble variedad de productos que influyen, en los aspectos de la vida,

dentro de estos productos se encuentran, los agroquímicos, tan importantes para

tener mejores alimentos, los plásticos tan útiles en el hogar en nuestros días,

elaboración de productos farmaceutas, vacunas, antibióticos, medicinas en general,

entre otros.

La Química estudia la estructura y el comportamiento de la materia; es el estudio de

las sustancias (materia), especialmente de su estructura, composición, propiedades y

transformaciones que en ella pueden ocurrir. Así como las leyes que rigen esos

cambios y transformaciones. Así pues, la química es la ciencia que describe la

materia, y los cambios físicos y químicos que sufre y las variaciones de energía que

acompañan a estos procesos.

Química es la ciencia de la materia, la energía y los cambios que experimenta la

materia, acompañados siempre de transformaciones de energía. Al analizar los

fenómenos de la naturaleza observamos cambios físicos y químicos, diferentes

estados de materia y además podemos hacer observaciones cualitativas y

cuantitativas.

La Química se considera una ciencia central porque se basa en los principios de

ciencias como la Física y las Matemáticas, asimismo, y a su vez es base para las

ciencias de la vida Biología y Medicina. En la Tabla 1.1 se muestran las ramas en las

que se divide la Química.

QUÍMICA BASICA Academia de Química1


Tabla 1.1. Ramas de la Química

Rama Campo de estudio Ejemplo

Química orgánicaCompuestos que contienen carbono en su estructura.

Preparación de la aspirina (C9H8O4)

Química inorgánicaSustancias que no contienen carbono.

Funcionamiento de una batería de cobre.

Química analíticaComposición de una muestra: Cualitativa y cuantitativamente.

Análisis de las aguas residuales de una industria.

Fisicoquímica

Estructura de las sustancias, la rapidez con que reaccionan y el papel del calor en los cambios químicos.

Cambios que se presentan en la fusión del hielo.

BioquímicaReacciones química de los seres vivos.

Comprensión del mecanismo de la asimilación de alimentos.

1 Introducción a la materia y la energía

Materia es todo lo que constituye el universo, ocupa un lugar en el espacio tiene

masa y peso, cualquier sustancia o cuerpo que puede medirse o pesarse.

La masa es una medida de la cantidad de materia en una muestra de cualquier

material, cuanto más masivo es un objeto, más fuerza se necesita para ponerlo en

movimiento, es una propiedad de la materia que determina su resistencia a ser

puesto en movimiento o a cualquier cambio en el desplazamiento que ya tiene.

La energía se define como la capacidad para efectuar o realizar un trabajo, cuando

dicho trabajo se realiza, se gasta energía, esta relacionada con los cambios

dinámicos que se utilizan para efectuar un trabajo.

Así pues, la energía puede manifestarse en diferentes formas y transformarse de una

forma a otra. En la Tabla 1.2 se muestran diversas formas de energía y su fuente.

Existen dos tipos de energía: cinética (movimiento) y potencial (reposo).



Tabla 1.2. Formas de energía y sus fuentes.

Forma de energía Fuente

Energía caloríficaCombustión de carbón, madera, petróleo, gas natural, gasolina y otros combustibles.

Energía eléctrica Plantas hidroeléctricas o termoeléctricas.

Energía química Reacciones químicas.

Energía hidráulica Corrientes de agua.

Energía eólica Movimiento del aire.

Energía nuclear Ruptura del núcleo atómica mediante la fisión nuclear.

Biomasa Cultivar plantas y quemarlas para producir energía.

Energía lunar Potencia de las mareas

Energía geotérmicaFuerzas gravitacionales y radiactividad natural en el interior de la tierra (géiseres y volcanes).

Energía radiante Ondas electromagnéticas (ondas de radio, rayos luminosos, etc.)

Cuando ocurren algunos procesos se libera energía a los alrededores, habitualmente

como energía calorífica. A tales procesos los llamamos exotérmicos, cualquier

reacción de combustión (quemar) es exotérmica. Ejemplo: cuando quemamos una

muestra de magnesio metálico en el aire

Mg(s) + O2(g) MgO2(s) + energía calorífica y luminosa

Sin embargo algunas reacciones químicas y procesos físicos (fusión del hielo) son

endotérmicos: es decir absorben energía de sus alrededores.

Ley de la conservación de la materia: (Lavoisier)

“La materia no se crea ni se destruye solo se transforma”

En una reacción química, la masa total de los productos es igual a la masa total de

los reactivos. Ejemplo: supongamos que se tienen 100 g de agua que se



descomponen en hidrógeno y oxígeno; la masa total del hidrógeno y del oxígeno es

igual a 100 g.

Ley de la conservación de la energía: (Mayer):

“La energía no se crea ni se destruye solo se transforma de una forma o

manifestación a otra”

En un cambio químico, parte de la energía química almacenada en los compuestos

se libera durante la reacción en forma de energía térmica y luminosa. No obstante, la

cantidad total de energía se mantiene constante, aunque tome diferentes formas.

Ley de la materia y la energía: en 1905, Albert Einstein planteo la idea de que es

factible convertir la materia en energía (fisión o reacción nuclear) y la energía en

materia, cosa que no se ha observado a gran escala ya que solo ocurre esto último

en los desintegradores atómicos o aceleradores de partículas usados para inducir

reacciones nucleares.

E = mc2

esta ecuación que relaciona la materia y la energía, nos dice que la cantidad de

energía liberada cuando la materia se transforma en energía es el producto de la

masa de la materia transformada por el cuadrado de la velocidad de la luz. La

cantidad total de materia y energía del universo no aumenta ni disminuye. No

obstante la materia y la energía pueden transformarse entre sí. La cantidad

combinada de materia y energía en el universo es fija.

2 Estados de la materia

Examinemos de que esta hecho el universo. Existen millones de diferentes clases de

productos químicos; pero todos ellos existen, en general, solo en tres formas físicas

diferentes o en estados de materia: sólido, líquido y gaseoso (Figura 1.1).



Figura 1.1. Estados de la materia.

El estado en el que exista la sustancia depende de tres factores, tipo de material,

temperatura y de la presión a que está sometida.

En el estado sólido, las sustancias tienen forma rígida y volumen definido o fijo

(volumen y forma definidos) y una consistencia que le es propia. Los volúmenes de

los sólidos no varían con los cambios de temperatura y presión. Los sólidos no se

pueden comprimir. Existe una gran fuerza de cohesión (fuerzas de atracción) de sus

moléculas y estas a su vez presentan una muy baja o nula energía cinética,

únicamente vibran en sus movimientos. En muchos sólidos, llamados sólidos

cristalinos, las partículas individuales que constituyen el sólido ocupan posiciones

definidas en la estructura cristalina.

En el estado líquido, las partículas individuales están confinadas en un volumen dado

(presenta volumen fijo). Un líquido fluye y adopta la forma del recipiente o sea que no

presenta forma propia definida. Los líquidos son muy difíciles de comprimir. Existe

una fuerza de cohesión regular de sus moléculas y estas a su vez presentan cierta

energía cinética y se deslizan unas sobre otras (fluidos).

Los gases ocupan todo el recipiente en que están contenidos, también son fluidos.

No tienen forma y volumen definidos. Los gases pueden expandirse y se comprimen

con facilidad. Consisten fundamentalmente en espacio vacío, ya que las partículas

individuales están muy separadas. Existe una fuerza de cohesión nula de sus

moléculas y estas a su vez presentan una gran energía cinética, se alejan unas de

otras por repulsión.

Tabla 1.3. Estados de la materia

Estado Sólido Liquido Gaseoso



Forma Definida Indefinida Indefinida

Volumen Definida Definida Indefinido

Compresibilidad Incompresible Incompresible Compresible

Cohesión Grande Moderada Despreciable

Energía Mínima Intermedia Máxima

Existe sin embargo un cuarto estado de la materia denominado plasma, que sé ha

conseguido a temperaturas muy altas, en el cual todas las moléculas se hallan

disociadas en sus respectivos átomos y la mayoría de los átomos en forma iónica,

así también muchas partículas elementales como protones, neutrones y electrones

sueltos, por ejemplo el fuego, las estrellas, entre otros.

Los cambios de estado que ocurren entre los primeros tres estados de la materia

son: sublimación, fusión, y evaporación, con absorción de calor (endotérmicos);

condensación, solidificación y licuación con liberación de calor (exotérmicos), estos

se muestran en la Figura 1.2.

Figura 1.2. Cambios de estado.

QUÍMICA BASICA Academia de Química

SÓLIDO LIQUIDO GAS

Fusión Evaporación

Solidificación Condensación

Sublimación

Deposición

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Un cambio de estado se define como la transformación molecular de la materia de

una estructura inicial a otra diferente, de manera reversible, bajo condiciones de

presión y temperatura.

3 Propiedades químicas y físicas

Cada sustancia tiene un conjunto único de propiedades o características que

permiten reconocerla y distinguirla de otras sustancias. Estas propiedades se pueden

agrupar dentro de dos categorías: físicas y químicas.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas son las que podemos medir sin cambiar la identidad y la

composición básica de la sustancia. Incluyen color, olor, densidad, punto de fusión,

punto de ebullición, punto de solidificación, dureza, entre otras.

Todas las sustancias exhiben también propiedades físicas que pueden ser

observadas en ausencia de variaciones en la composición. Conductividad eléctrica y

térmica, son también propiedades físicas. Algunas de las propiedades físicas de una

sustancia dependen de las condiciones, como temperatura y presión a que son

medidas.

Propiedades químicas

Las propiedades químicas describen la forma en que una sustancia puede cambiar o

reaccionar para formar otras sustancias. Por ejemplo una propiedad química común

es la inflamabilidad, la capacidad de una sustancia a arder en presencia de oxígeno.

Las propiedades químicas son las propiedades exhibidas por la materia cuando sufre

cambios en su composición. Por ejemplo la combinación del magnesio metálico con

el oxígeno gaseoso para formar oxido de magnesio como un polvo blanco. Una

propiedad química del magnesio es que puede combinarse con el oxígeno. Otro

ejemplo, la oxidación del hierro implica una propiedad química del mismo, ya que su

composición cambia a la de óxido de hierro.



4Fe(s) + 3O2(g) 2Fe2O3

Algunas propiedades como la temperatura, el punto de fusión y ebullición, calor

específico, la densidad, color no dependen de la cantidad de muestra o materia que

sé esta examinando. A este tipo de propiedades se les llama propiedades intensivas

y son especialmente útiles en química porque muchas de ellas pueden servir para

identificar las sustancias. Las propiedades extensivas de las sustancias dependen de

la cantidad de sustancia o materia presente. Por ejemplo volumen, masa, peso,

longitud, calor, energía potencial,

4 Cambios químicos y físicos

Al igual que se hace con las propiedades de una sustancia o de la materia, los

cambios que sufren las sustancias se pueden clasificar como físicos y químicos.

Cambios físicos

Durante los cambios físicos una sustancia varía en su apariencia física pero no en su

composición. La evaporación del agua es un cambio físico ya que esta cambia del

estado líquido al gaseoso, pero su composición no se altera; sigue siendo agua y en

el proceso se absorbe o libera energía. Un cambio físico ocurre sin cambio alguno en

la composición química de la materia. La misma sustancia esta presente después de

un cambio físico, aunque el estado físico de la sustancia o el tamaño y forma general

de sus fragmentos haya cambiado.

Cambios químicos

En los cambios químicos (también llamados reacciones químicas), una sustancia o la

materia se transforma en una sustancia químicamente distinta. Por ejemplo la

descomposición del agua en sus componentes hidrógeno y oxígeno por electrólisis;

el agua ya no es agua. También cuando se quema hidrógeno en aire, sufre un

cambio químico en el que se convierte en agua.

En cualquier cambio químico, intervienen una o más sustancias, se forman una o

más sustancias nuevas y se absorbe o libera energía, La energía siempre se libera o



absorbe cuando ocurren cambios físicos o químicos. Los cambios físicos y, en mayor

medida, las reacciones químicas a menudo van acompañados de transferencias de

energía.

Figura 1.3. Electrolisis del agua

5 Mezclas, sustancias, compuestos y elementos

La mayor parte de las formas de materia con las que nos topamos, por ejemplo el

aire que respiramos (un gas), la gasolina para los autos (un líquido) y la acera por la

que caminamos (un sólido), no son químicamente puras. No obstante, podemos

descomponer, o separar, esta clase de materia en diferentes sustancias puras.

Todo lo que existe en el universo esta compuesto de materia. La materia se clasifica

en mezclas y sustancias puras. Las mezclas son combinaciones de sustancias puras

en proporciones variables, mientras que las sustancias puras comprenden los

compuestos y los elementos. Los compuestos están formados por una combinación

de elementos en una proporción definida.

Sustancias puras

Una sustancia pura (que normalmente llamamos sólo sustancia) es materia que tiene

una composición física y propiedades características. Por ejemplo el agua y la sal de

mesa, los principales componentes del agua de mar, son sustancias puras. Podemos

clasificar las sustancias como elementos o compuesto.



Figura 1.4. Clasificación de la materia.

Una sustancia no puede separarse o purificarse más por medios físicos. Una

sustancia es materia de un tipo específico. Cada sustancia tiene un conjunto bien

definido de propiedades características que son diferentes de las propiedades de

cualquier otra sustancia. La sustancia también tiene la misma composición (los

mismos componentes en las mismas proporciones) que cualquier otra muestra de

esa sustancia.

Elementos

Los elementos son sustancias que no pueden descomponerse en sustancias más

simples. Cada elemento se compone de un solo tipo de átomo (Na; átomo de un

elemento, O2; molécula de un elemento).

En la actualidad se conocen 114 elementos, los cuales varían ampliamente en su

abundancia. Más del 90% de la corteza terrestre consta de sólo cinco elementos:

oxígeno, silicio, aluminio, hierro y calcio. En contraste, sólo tres elementos (oxígeno

carbono e hidrógeno) dan cuenta de más del 90% de la masa del cuerpo humano.

Para representar los elementos usamos un conjunto de símbolos.



Figura 1.5. Elementos en porcentaje por masa, en (a) la corteza terrestre (incluidos los océanos y la atmosfera) y (b) el cuerpo humano.

Relativamente, muy pocos elementos aparecen como elementos libres,

aproximadamente un cuarto de los que existen en la naturaleza. El resto se

encuentra combinado químicamente con otros elementos. Un elemento es una

sustancia que no puede descomponerse en otras más simples por medios químicos.

Compuestos

Los compuestos se componen de dos o más elementos, y por lo tanto contienen dos

o más clases de átomos. Ejemplo H2O.

Casi todos los elementos pueden interactuar con otros elementos para formar

compuestos. El hidrógeno gaseoso, por ejemplo, arde en oxígeno para formar agua.

Por otro lado es posible descomponer agua en sus elementos constituyentes

pasando a través de ella una corriente eléctrica (electrólisis).

Figura 1.6. Ejemplo de una mezcla de hidrogeno y oxigeno sufre un cambio químico para formar agua.

Las propiedades del agua no se parecen a la de sus elementos componentes.

Además la composición del agua no es variable. El agua pura, sea cual sea su



origen, consiste en 11% de hidrógeno y 89% de oxígeno en masa. La observación de

que la composición elemental de un compuesto puro siempre es la misma se conoce

como ley de composición constante o ley de las proporciones definidas.

Un compuesto es una sustancia que puede descomponerse por medios químicos en

sustancias más simples, siempre en la misma relación de masas. Además, podemos

decir que un compuesto es una sustancia pura que consiste en dos o más elementos

diferentes en una relación fija. Diferentes muestras de cualquier compuesto puro

contienen los mismos elementos en las mismas proporciones de masa.

Mezclas

La mayor parte de la materia que vemos a diario consiste en mezclas de diferentes

sustancias. Casi cualquier muestra de materia que encontremos ordinariamente es

una mezcla. Solo unas cuantas sustancias están presentes en la naturaleza en forma

pura. El oro, los diamantes y el azufre son ejemplos, pero estas sustancias son casos

especiales. Vivimos en un mundo de mezclas. Las mezclas son combinaciones de

dos o más sustancias en las que cada sustancia conserva su propia identidad

química y por ende sus propiedades, (composición y propiedades).

En tanto las sustancias puras tienen composiciones fijas, las composiciones de las

mezclas pueden variar (composición variable). Por ejemplo una tasa de café

endulzado puede contener poca o mucha azúcar. Las sustancias que componen una

mezcla (como azúcar y agua) se denominan componentes de la mezcla.

Las mezclas se clasifican en mezclas homogéneas (soluciones) y mezclas

heterogéneas. En una mezcla heterogénea pueden distinguirse con facilidad las

diferentes fases que forman la mezcla, mientras que en una mezcla homogénea no

hay distinción de fases.

Algunas mezclas, como la arena, las rocas y la madera, no tienen la misma

composición, propiedades y aspecto en todos sus puntos. Tales mezclas son



heterogéneas. No son uniformes en todas sus partes. Puede verse la textura

desigual del material. En una mezcla heterogénea las propiedades de una región

(fase) son distintas de las propiedades de otra región.

Las mezclas que son uniformes en todos sus puntos son homogéneas. El aire es una

mezcla homogénea de las sustancias gaseosas nitrógeno, oxígeno y otros. El

nitrógeno del aire tiene todas las propiedades del nitrógeno puro porque tanto la

sustancia pura como la mezcla contienen las mismas moléculas de nitrógeno.

La sal, el azúcar y muchas otras sustancias se disuelven en agua para formar

mezclas homogéneas, llamadas soluciones o disoluciones. El aire es una solución

gaseosa; la gasolina es una solución líquida; el latón es una solución sólida (aleación

de cobre y cinc), que están en el mismo estado.

Las propiedades de una mezcla homogénea son las mismas en todos los puntos de

una muestra dada, pero pueden variar de una muestra a otra dependiendo de las

proporciones relativas de los componentes.

Las mezclas se separan en sus componentes por procesos físicos de separación

(filtración, evaporación, destilación, centrifugación, cristalización, decantación,

sublimación, imantación, cromatografía, etc.), mientras que los compuestos se separan

en sus constituyentes por procesos químicos, proceso más difícil de todo.

Figura 1.7. Destilación

6 Mediciones en Química



Muchas propiedades de la materia son cuantitativas; es decir están asociadas a

números. Cuando un número representa una cantidad medida, siempre debemos

especificar las unidades de esa cantidad. Decir que la longitud de un alambre de

cobre es 23.5 no tiene sentido. Decir que tiene 23.5 cm especifica correctamente la

longitud. Las unidades que se emplean para mediciones científicas son las del

sistema métrico, el cual se emplea como sistema de medición en casi todos los

países del mundo.

7 Unidades de medida

El sistema métrico de medidas es usado universalmente en los trabajos científicos.

Es un sistema decimal en el cual se hacen cambios de una unidad a otra moviendo

la coma un número apropiado de lugares. En el sistema CGS de unidades, las

magnitudes básicas son longitud, masa y tiempo, correspondiéndole como unidades

el centímetro (cm), el gramo (g) y el segundo (s), respectivamente. En cambio, en el

sistema MKS de unidades, las unidades básicas son el metro (m), el kilogramo (kg) y

el segundo (s).

Sin embargo, en todo el mundo los científicos han adoptado un sistema de unidades

estandarizado conocido como Sistema Internacional de Unidades (SI), y se basa en

siete unidades fundamentales detalladas en la Tabla 1.4.

TABLA 1.4. UNIDADES FUNDAMENTALES DEL si

Magnitud física Nombre de la Unidad Símbolo

Masa kilogramo kg

Longitud Metro m

Tiempo Segundo s

Temperatura Kelvin K

Cantidad de sustancia Mol mol

Corriente eléctrica ampere A

Intensidad luminosa candela cd



Con el fin de expresar cantidades de medida pequeñas o grandes en términos

de pocos dígitos simples, se utilizan varios prefijos con estas unidades básicas

así como otras derivadas (Tabla 1.5).

Tabla 1.5. Prefijos multiplicativos

Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo Factor

giga- G 109 micro- 10-6

mega- M 106 nano- n 10-9

kilo- k 103 pico- p 10-12

deci- d 10-1 femto- f 10-15

centi- c 10-2 atto- a 10-18

mili- m 10-3

8 Densidad y densidad relativa

La densidad es una propiedad característica de una sustancia, está determinada por

su naturaleza, pero no por la cantidad de sustancia que se considere. La densidad

representa la relación masa/volumen de una sustancia. Para los sólidos y líquidos la

masa se expresa en gramos (g) y el volumen en mililitros (mL) o centímetros cúbicos

(cc). Para los gases el volumen se expresa en litros (L). En el sistema métrico la

densidad tiene unidades de kg·L-1 o g·mL-1.

El volumen de todas las sustancia aumenta directamente con la temperatura. Esta

variación es especialmente importante en las sustancias gaseosas y líquidas. La

densidad es, por lo tanto, una propiedad dependiente de la temperatura. Las

densidades pueden usarse para distinguir entre dos sustancias o para ayudar a

identificar una sustancia. La densidad relativa de una sustancia es la relación entre

su densidad y la del agua, ambas a la misma temperatura:


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