lunes, 28 de marzo de 2016
NÚMEROS CUÁNTICOS
Los números cuánticos son valores numéricos que nos indican las características de los electrones de los átomos. Están basados, desde luego, en la teoría atómica de Neils Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos.
Pero además, la propuesta de Schrodinger, considerado como el 5° modelo atómico, radica en describir las características de todos los electrones de un átomo, y esto es lo que conocemos como número cuánticos.
Los números cuánticos más importantes son 4:
Número Cuántico Principal.
Número Cuántico Secundario.
Número Cuántico Magnético.
Número Cuántico de Spin.
Número Cuántico Principal (n): El número cuántico principal nos indica en que nivel se encuentra el electrón y por lo tanto también el nivel de energía. Este número cuántico toma valores enteros 1, 2, 3, 4, 5, 6, ó 7.
Número Cuántico Secundario (l): Este número cuántico nos indica en que subnivel se encuentra el electrón. Este número cuántico toma valores desde 0 hasta (n - 1). Según el número atómico tenemos los valores para l:
n=1 l = (n-1) = 0 = s "sharp"
n=2 l = (n-1) = 0, 1 = p "principal"
n=3 l = (n-1) = 0, 1, 2 = d "diffuse"
n=4 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3 = f "fundamental"
n=5 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4 = g
n=6 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4, 5 = h
n=7 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 = i
Número Cuántico Magnético (m): El número cuántico magnético nos indica las orientaciones de los orbitales magnéticos en el espacio. Los orbitales magnéticos son las regiones de la nube electrónica donde se encuentran los electrones. Este número cuántico depende de l y toma valores desde -l pasando por cero hasta +l. La fórmula para encontrar cuántos orbitales posee un subnivel es: m = 2l +1
Número Cuántico de Spin (s): El número cuántico de spin nos indica el sentido de rotación en el propio eje de los electrones en un orbital. Ya sea si se mueve al igual que las manecillas del reloj, o en sentido contrario, este número cuántico toma los valores de -1/2 y de +1/2.
Utilizando los 4 números cuánticos se puede especificar dónde se encuentra un determinado electrón, y los niveles de energía del mismo. Este tema es importante en el estudio de las radiaciones, la energía de ionización, así como de la energía liberada por un átomo en una reacción.
Al utilizar los números cuánticos debemos tomar en cuenta lo siguiente:
El Principio de Exclusión de Pauli dice que un electrón que ha sido asignado a cierto orbital, es capaz de existir en 2 estados, que se puede explicar admitiendo que el electrón puede rotar alrededor de un eje en cierto sentido o en el sentido opuesto. Estos 2 estados se describen mediante el número cuántico ms que puede tomar 1 de los 2 valores siguientes: +1/2 y – 1/2. Se dice entonces que en un átomo, no puede haber más de un electrón con los mismos valores de los números cuánticos n, l , ml y ms.
La Regla de Hund establece que cuando varios electrones ocupan orbitales degenerados, lo hacen, en lo posible, ocupando orbitales diferentes y con los spines desapareados paralelos. En otras palabras cuando se llena orbitales con un mismo nivel de energía, o en un mismo subnivel, se debe empezar llenando la mitad del subnivel con electrones de spin +1/2 para luego proceder a llenar los subniveles con electrones de spin contrario (-1/2).
Pero además, la propuesta de Schrodinger, considerado como el 5° modelo atómico, radica en describir las características de todos los electrones de un átomo, y esto es lo que conocemos como número cuánticos.
Los números cuánticos más importantes son 4:
Número Cuántico Principal.
Número Cuántico Secundario.
Número Cuántico Magnético.
Número Cuántico de Spin.
Número Cuántico Principal (n): El número cuántico principal nos indica en que nivel se encuentra el electrón y por lo tanto también el nivel de energía. Este número cuántico toma valores enteros 1, 2, 3, 4, 5, 6, ó 7.
Número Cuántico Secundario (l): Este número cuántico nos indica en que subnivel se encuentra el electrón. Este número cuántico toma valores desde 0 hasta (n - 1). Según el número atómico tenemos los valores para l:
n=1 l = (n-1) = 0 = s "sharp"
n=2 l = (n-1) = 0, 1 = p "principal"
n=3 l = (n-1) = 0, 1, 2 = d "diffuse"
n=4 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3 = f "fundamental"
n=5 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4 = g
n=6 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4, 5 = h
n=7 l = (n-1) = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 = i
Número Cuántico Magnético (m): El número cuántico magnético nos indica las orientaciones de los orbitales magnéticos en el espacio. Los orbitales magnéticos son las regiones de la nube electrónica donde se encuentran los electrones. Este número cuántico depende de l y toma valores desde -l pasando por cero hasta +l. La fórmula para encontrar cuántos orbitales posee un subnivel es: m = 2l +1
Número Cuántico de Spin (s): El número cuántico de spin nos indica el sentido de rotación en el propio eje de los electrones en un orbital. Ya sea si se mueve al igual que las manecillas del reloj, o en sentido contrario, este número cuántico toma los valores de -1/2 y de +1/2.
Utilizando los 4 números cuánticos se puede especificar dónde se encuentra un determinado electrón, y los niveles de energía del mismo. Este tema es importante en el estudio de las radiaciones, la energía de ionización, así como de la energía liberada por un átomo en una reacción.
Al utilizar los números cuánticos debemos tomar en cuenta lo siguiente:
El Principio de Exclusión de Pauli dice que un electrón que ha sido asignado a cierto orbital, es capaz de existir en 2 estados, que se puede explicar admitiendo que el electrón puede rotar alrededor de un eje en cierto sentido o en el sentido opuesto. Estos 2 estados se describen mediante el número cuántico ms que puede tomar 1 de los 2 valores siguientes: +1/2 y – 1/2. Se dice entonces que en un átomo, no puede haber más de un electrón con los mismos valores de los números cuánticos n, l , ml y ms.
La Regla de Hund establece que cuando varios electrones ocupan orbitales degenerados, lo hacen, en lo posible, ocupando orbitales diferentes y con los spines desapareados paralelos. En otras palabras cuando se llena orbitales con un mismo nivel de energía, o en un mismo subnivel, se debe empezar llenando la mitad del subnivel con electrones de spin +1/2 para luego proceder a llenar los subniveles con electrones de spin contrario (-1/2).
PROPIEDADES DE LA MATERIA
Una sustancia se identifica y distingue de otras por medio de sus propiedades o cualidades físicas y químicas. Las propiedades son las diversas formas en que impresionan los cuerpos materiales a nuestros sentidos o a los instrumentos de medida. Así podemos diferenciar el agua del alcohol, el hierro del oro, azúcar de la sal, etc.
Las propiedades de la materia se clasifican en dos grandes grupos: generales y especificas.
I. Propiedades Generales:
Son las propiedades que presenta todo cuerpo material sin excepción y al margen de su estado físico, así tenemos:
- Masa: Es la cantidad de materia contenida en un volumen cualquiera, la masa de un cuerpo es la misma en cualquier parte de la Tierra o en otro planeta.
- Volumen: Un cuerpo ocupa un lugar en el espacio
- Peso: Es la acción de la gravedad de la Tierra sobre los cuerpos. En los lugares donde la fuerza de gravedad es menor, por ejemplo, en una montaña o en la Luna, el peso de los cuerpos disminuye.
- Divisibilidad: Es la propiedad que tiene cualquier cuerpo de poder dividirse en pedazos más pequeños, hasta llegar a las moléculas y los átomos.
- Porosidad: Como los cuerpos están formados por partículas diminutas, éstas dejan entre sí espacios vacíos llamados poros.
- La inercia: Es una propiedad por la que todos los cuerpos tienden a mantenerse en su estado de reposo o movimiento.
- La impenetrabilidad: Es la imposibilidad de que dos cuerpos distintos ocupen el mismo espacio simultáneamente.
- La movilidad: Es la capacidad que tiene un cuerpo de cambiar su posición como consecuencia de su interacción con otros.
- Elasticidad: Propiedad que tienen los cuerpos de cambiar su forma cuando se les aplica una fuerza adecuada y de recobrar la forma original cuando se suspende la acción de la fuerza. La elasticidad tiene un límite, si se sobrepasa el cuerpo sufre una deformación permanente o se rompe. Hay cuerpos especiales en los cuales se nota esta propiedad, como en una liga, en la hoja de un cuchillo; en otros, la elasticidad se manifiesta poco, como en el vidrio o en la porcelana.
II. Propiedades Especificas:
Son las propiedades peculiares que caracterizan a cada sustancia, permiten su diferenciación con otra y su identificación.
Entre estas propiedades tenemos: densidad, punto de ebullición, punto de fusión, índice de refracción de luz, dureza, tenacidad, ductibilidad, maleabilidad, solubilidad, reactividad, actividad óptica, energía de ionización, electronegatividad, acidez, basicidad, calor latente de fusión, calor latente de evaporización, etc.
Las propiedades especificas pueden ser químicas o físicas dependiendo si se manifiestan con o sin alteración en su composición interna o molecular.
1. Propiedades Físicas: Son aquellas propiedades que impresionan nuestros sentidos sin alterar su composición interna o molecular.
Ejemplos: densidad, estado físico (solido, liquido, gaseoso), propiedades organolépticas (color, olor, sabor), temperatura de ebullición, punto de fusion, solubilidad, dureza, conductividad eléctrica, conductividad calorífica, calor latente de fusión, etc.
A su vez las propiedades físicas pueden ser extensivas o intensivas.
Propiedades Extensivas: el valor medido de estas propiedades depende de la masa. Por ejemplo: inercia, peso, área, volumen, presión de gas, calor ganado y perdido, etc.
Propiedades Intensivas: el valor medido de estas propiedades no depende de la masa. Por ejemplo: densidad, temperatura de ebullición, color, olor, sabor, calor latente de fusión, reactividad, energía de ionización, electronegatividad, molécula gramo, átomo gramo, equivalente gramo, etc.
2. Propiedades Químicas: son aquellas propiedades que se manifiestan al alterar su estructura interna o molecular, cuando interactúan con otras sustancias.
Ejemplos: El Fe se oxida a temperatura ambiental y el Oro no se oxida; el CH4 es combustible y el CCl4 no es combustible; el Sodio reacciona violentamente con el agua fria para formar Hidróxido de Sodio y el Calcio reacciona muy lentamente con el agua para formar Hidróxido de Calcio; el alcohol esinflamable y el H2O no lo es; el acido sulfúrico quema la piel y el acido nítrico no, etc.
Resumiendo, las propiedades químicas de la materia son:
- Reactividad Química
- Combustión
- Oxidación
- Reducción
domingo, 27 de marzo de 2016
HISTORIA DE LA QUÍMICA
La química es una ciencia de la naturaleza se ocupa del estudio de la constitución, propiedades y transformaciones de la materia. La química tiene que ver con nosotros porque en todo esta involucrado la química, desde la respiración hasta la comida que comemos
Resumen de la historia de la química
Desde que se descubrió el fuego, las diversas culturas lo han utilizado en múltiples usos, pero en el avance tecnológico, un hito importante en el uso del fuego es la fuente de calor para la obtención de metales.
Se cree que el cobre fue el primer metal obtenido, hacia el año cinco mil a.C., en la región que hoy corresponde a Irán y Afganistán. Sin embargo, este metal es blando, y muchos años después se encontró que la adhesión de otro, el estaño, lo endurecería. El metal más duro resultado de la aleación cobre-estaño, es el bronce, que se propago después desde Mesopotamia, hacia China, donde su uso alcanzo el máximo apogeo cerca del año mil quinientos a.C. Al mismo tiempo comenzaba a generalizarse el uso del hierro en las cercanías del Mar Negro, alcanzando su máximo desarrollo en la India, hacia el año mil a.C.
Para obtener cada metal se fue necesitando de un procedimiento más complejo: así nació la metalurgia; se empieza a recurrir al uso de numerosas sustancias químicas, pero el interés se centra en el producto final, en como conseguirlo y sus principales aplicaciones.
Para la gente de aquella época seria difícil explicar porque cuando se agrega estaño al cobre se obtiene una aleación dura. Se sabe que al hacerlo, resulta un metal más duro, pero desconocen las razones; el conocimiento empírico precedió el conocimiento científico.
Desde la Grecia Clásica hasta Lavoisier
Con los avances logrados en las primeras civilizaciones, el hombre dispuso de conocimientos empíricos y descripciones de fenómenos que harían suponer el surgimiento de una etapa superior, en la que el cuestionamiento de los hechos observados sería cercano a lo que hoy llamamos el “racionamiento lógico”
Por esto sabemos que los griegos de la época clásica fueron famosos por sus aportes a diversas áreas del conocimiento.
Entre ellas la química, donde fueron legadas dos nociones muy importantes, tales son el concepto de átomo y el de elemento, aunque solo en el siglo XIX podrían adquirir el actual significado.
• Composición de la materia
Para Tales de Mileto la materia estaba compuesta por agua; para Amaximenes por aire; para Heraclito de Efeso por fuego. Pero fue Empedocles de Agriento en Sicilia, quien postuló la Teoría de los cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego, los cuales estarían constituidos por minúsculas partículas. Esta doctrina fue enriquecida por Aristóteles Estagira, y estuvo vigente, gracias a su gran prestigio, hasta el siglo XVI y, ya solo parcialmente hasta el siglo XVIII.
Aristóteles postulaba la existencia de una materia primaria, que llamo elemento, y cuatro cualidades frío, calor, húmedo y seco. La combinación de dos cualidades daba origen a la materia primaria, de la cual esta hecho todo lo que nos rodea. Si se combina lo seco con lo frío, se obtiene la tierra; lo frío con lo húmedo el agua; lo húmedo con lo caliente el aire y lo caliente con lo seco el fuego.
Para Demócrito, la materia esta constituida por átomos que se mueven en el vacío en forma continua y al azar. Además, los átomos tienen forma y tamaño, lo que explica sus propiedades. Este planteamiento se asemeja bastante a uno de los postulados de la actual Teoría Cinético Molecular que propone que todos los cuerpos, con independencia de su estado físico, están formado por partículas (átomos o moléculas) que están en continuo movimiento o vibrando.
Sin embargo, prevaleció la teoría perfeccionada de los cuatro elementos, presentada por Aristóteles, por el prestigio incuestionable del filósofo.
• La Alquimia: una larga etapa
Este periodo del desarrollo de la química parece iniciarse en Egipto, o Khem, la tierra del suelo oscuro, y de allí podría derivar Al Khem (el arte del suelo oscuro) que combina aspectos que van desde filosofía griega y artesanía oriental hasta magia y misticismo religioso. Su principal objetivo se dice que era la obtención de metales nobles, tales como oro y plata, a partir de metales comunes, como estaño y plomo, trasmutándose por la piedra filosofal.
Entre los siglos IV y V, los emigrantes llevaron sus conocimientos a los Árabes. Entre los siglos VIII y XI se alcanzo un notable desarrollo de las ciencias en esta región. Los conocimientos de los alquimistas Árabes fueron llevados a Europa entre los siglos XI y XVI, a través de Sicilia y España.
El mayor aporte de los alquimistas es el de los equipos y aparatos de laboratorio, las técnicas experimentales y métodos para preparar numerosas especies químicas.
Algunos alquimistas famosos fueron Geber, Avecina, Averroes, San Alberto Magno, Roger Bacon, Raimundo Lulio.
• La Iatroquimica: incursión de la Química en la Medicina
Se caracteriza por la introducción de productos químicos en la practica medica, teniendo como primer impulsor a Paracelso. Él afirma que la finalidad de la Química no es producir oro, sino descubrir medicamentos. Para curar enfermedades ocupo medicamentos de origen metálico y opio.
Entre sus seguidores se destacan Andreas Libavius y Bautista van Helmont.
• Robert Boyle: el químico escéptico que destrona a Aristóteles
Postulo que el progreso de una verdadera ciencia se basa en la acumulación de pruebas experimentales que fundamenten los conceptos y los términos. Con Boyle la definición de elemento pasa de campo de la especulación metafísica al experimental.
Pese a su gran aporte, creía que el fuego tenía peso, aún cuando en su época algunos experimentos de Juan Mayow daban luces sobre el proceso de combustión.
• Los comienzos de la Química Moderna
Se considera a Antoine Laurent Lavoisier como el fundador de la Química Moderna. Sus aportes cubren además de la Química, múltiples áreas.
A él se le atribuye de utilizar la balanza para la demostración de las leyes fundamentales de la Química. Lavoisier demostró cuantitativamente que no era posible transformar agua en tierra, como se establecía en la teoría de los cuatro elementos. Estudio también cuidadosamente el fenómeno de la combustión y el de la calcinación. Más tarde, cuando Joseph Priestley descubrió el “aire deflogisticado”, Lavoisier comprobó que este gas se absorbía cuando los metales formaban las “cales”, y lo llamo oxígeno. Así se demostró que la teoría del flogisto era errónea.
Lavoisier se dio cuenta de que los gases podían ser generados en una reacción química o recombinarse químicamente. Demostró que la masa de todas las sustancias contenidas en el recipiente es la misma, antes y después de que tiene lugar la reacción, aun cuando la materia experimente cambios de forma.
“Hacia la Química de Hoy”
Se podría postular que los alquimistas fueron quienes abrieron el camino hacia la “Química de hoy” en muchos procedimientos practicados. Crearon diversas técnicas experimentales y descubrieron una amplia variedad de sustancias. Al margen de sus interpretaciones erróneas, tienen el mérito de haber sido los primeros que buscaron en los experimentos la fuente del conocimiento.
Más tarde, en el siglo XVI, los iatroquimicos, buscaron el “elíxir de la vida” y fueron capaces de introducir diferentes sustancias con fines curativos. En los siglos XVI y XVII, con el movimiento renacentista, se desarrolla un espíritu de investigación que se basa en el razonamiento y en la experimentación.
Con esta forma de proceder, razonar y experimentar de fines del siglo XVIII, la Química posee una nueva manera de interpretar los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor.
Dilucidando la constitución básica de la materia
Si no tuviera término la división de un trazo de cualquier metal, entonces se concluiría que la materia es continua; en caso contrario se pensaría que la materia está formada por partículas en extremo pequeñas que no podríamos ver ni romper.
Esta idea de una materia “discreta” fue formulada por los griegos en el siglo V a.de.c con una concepción intuitiva, filosófica y sin ninguna base de comprobación experimental.
En 1808, gracias al trabajo de un profesor llamado John Dalton (1766-1844) fue capaz de proponer la “teoría atómica”, la cual comprende los siguientes postulados:
• La materia está formada de diminutas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos.
• Todos loa átomos de un mismo elemento son iguales y se caracterizan por tener la misma masa, pero son diferentes a otros átomos de otros elementos.
• Cuando los átomos de distintos elementos se combinan para formar compuestos, no pierden su identidad y se combinan en una razón definida de números enteros pequeños como 1 es a 1 (1:1), 1 es a 2 (1:2), … etc.
Para Dalton la teoría atómica se basaba principalmente en dos leyes experimentales: “Ley de conservación de la materia” y “ley de las proporciones definidas”. Además, usando su teoría atómica, enuncio y comprobó experimentalmente la “ley de las proporciones múltiples”.
• Ley de conservación de la materia
Esta ley propuesta por Lavoisier dice que, independiente del cambio al que sometemos a la materia, su masa se mantiene siempre igual.
Para Dalton, esta ley podrá explicarse sobre la base de la teoría atómica: “Si los átomos tienen masas definidas no pueden dividirse ni destruirse, entonces en un cambio químico, los átomos simplemente se reordenan; así, la masa total debe ser la misma antes y después de la reacción química”
• Ley de las proporciones definidas
En 1799, el francés Joseph Proust (1754-1826), después de un cuidadoso análisis de la composición del carbonato de cobre, un compuesto que obtenía de algunos minerales o por medio de una reacción química, observó que siempre estaba formado por la misma proporción en masa, de cobre, carbono y oxigeno. Hoy sabemos que esta observación llamada “ley de las proporciones definidas”, se aplica a todos los compuestos químicos puros.
Dalton también entrega una explicación para la ley de Proust: “Los elementos se combinaran para formar un compuesto en proporciones definidas, entonces la composición constante en que se combinan los elementos corresponde a una proporción definida de átomos de esos elementos”, Dalton añade: “ Para formar un compuesto químico, los átomos que conforman a los elementos se unen entre sí, siguiendo una razón de números enteros, ya que los átomos no pueden dividirse, por ejemplo un átomo de C más dos átomos de D producen el compuesto CD2“
• Ley de las proporciones múltiples
Dalton probó que cierto par de elementos solo producía un tipo de compuesto; por ejemplo, el sodio y el cloro producen únicamente la sal de mesa. También comprobó que otros pares de elementos formaban dos o más compuestos diferentes, como por ejemplo el carbono y el oxigeno que producen el monoxido o el dioxido de carbono.
Las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del otro elemento, se encuentran en una razón de números enteros. Esta observación se llama actualmente “ley de las proporciones múltiples”
Más allá de la teoría atómica de Dalton
Hoy se ha comprobado que los átomos son partículas indivisibles, que se organizan formando una estructura interna. Sin embargo, las ideas esenciales de la teoría atómica de Dalton son aún válidas:
• Los elementos se conforman de átomos y los compuestos se forman por la unión de átomos en una razón de números enteros.
• Durante un cambio químico, los átomos no se alteran, sólo se reordenan resultando diferentes combinaciones.
Durante el siglo XIX muchas investigaciones pusieron en tela de juicio la teoría atómica de Dalton.
Ley de los volúmenes de combinación
En 1808, el químico francés Joseph Gay-Lussac (1778-1850) comprobó que cuando dos gases reaccionan a una misma presión y temperatura, lo hacen en forma que los volúmenes de combinación están en una razón de números enteros como 1:1, 1:2, 1:3, etc.
Los resultados eran inaceptables para Dalton y lo atribuyó a errores de medición, puesto que él consideraba que “volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura contenía igual cantidad de átomos”.
En 1811, el químico italiano Amadeo Avogrado (1776-1856) formuló una hipótesis para hacer compatibles los resultados de Gay-Lussac con la teoría de Dalton.
• Hipótesis de Avogrado
Avogrado postuló que “volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura contienen igual cantidad de moléculas”.
El concepto de “molécula” aparecía por primera vez en el lenguaje de la química. Según Avogrado, las moléculas podían estar constituidas por uno o más átomos iguales o distintos.
Dalton y la comunidad científica de la época no aceptaron las ideas de Avogrado (moléculas formadas por átomos iguales) y debió pasar alrededor de medio siglo para que el congreso de químicos de Karlsruke (1860) aceptara definitivamente el concepto de molécula.
Estableciendo los pesos atómicos de los elementos
Dalton fue capaz de construir la primera tabla de “pesos atómicos” para probar su teoría. Dalton supuso arbitrariamente que cuando dos elementos formaban un solo compuesto, lo hacían en la razón atómica más simple 1:1. Así, en el caso de los elementos que conforman el agua: hidrogeno y oxigeno, él los hizo reaccionar para analizar la proporción en que se combinaban. El resultado mostró que 1 gramo de hidrógeno reaccionaba con 7 gramos de oxígeno para producir 8 gramos de agua. Dalton suponía que el agua estaba formada por un átomo de hidrogeno y uno de oxígeno, lo cual daba una formula HO.
En base a estos datos, Dalton concluyó que el oxígeno era 7 veces más pesado que el hidrógeno, y a éste último le asignó un valor de peso arbitrario, igual a 1. Posteriormente, dedujo los pesos atómicos para otros elementos
La primer tabla periódica de los elementos
En 1869, el químico ruso “Dimitri Mendeleiev” formuló un principio de clasificación de los elementos químicos (debido a que aumentaba la cantidad de elementos descubiertos) y que fue capaz de construir la primera tabla periódica.
Mendeleiev postuló: “Las propiedades de los elementos son funciones periódicas de sus pesos atómicos”, es decir, el ordenamiento de los elementos se basa en el orden creciente de sus pesos atómicos, y este hecho se llama “Ley periódica de los elementos”.
Hacia los conceptos fundamentales de la Química
La Ley de Conservación de la Materia, formulada por Lavoisier, por ejemplo es actualmente considerada una Ley natural, puesto que corresponde a una conceptualización que interpreta a todos los cambios que ocurren en la naturaleza. Por su parte, el concepto de elemento químico como sustancia básica y más simple de toda materia, resulta indiscutible.
Los conocimientos acumulados al final del siglo XIX, sugerían que era incontenible una teoría de la materia basada en átomos indivisibles. Así, la teoría atómica de Dalton ya no serviría; era necesario seguir investigando, hechos y antecedentes que ayudaran a explicar los nuevos resultado experimentales.
Las primeras transformaciones químicas, como la cocción de almejas, la producción de metales, cerámicas y vidrio, son procesos que fueron descubiertos a propósito o por una simple práctica de ensayo u error.
La Química y la energía
Hasta la mitad del siglo XIX, la madera fue la principal fuente de energía, luego fue el carbón y a comienzos de siglo apareció el petróleo. Pero la gran demanda de este producto lo esta llevando al agotamiento de las fuentes convencionales y se estima que hará crisis a mediados del próximo siglo. Por esto, se están investigando nuevos combustibles líquidos a partir del carbón y del gas natural.
• Combustibles líquidos a partir del gas natural
Para convertir el gas natural en gasolina y en otros combustibles líquidos, se realiza la oxidación parcial. Así, se transforma el gas natural en monóxido de carbono e hidrógeno, los que son recombinados catalíticamente para producir moléculas de hidrocarburos más grandes, como los que forma la gasolina.
• Energía eléctrica
La Química aporta a la energía eléctrica colaborando con nuevos materiales capaces de conducir la energía eléctrica en forma más eficiente. Las últimas investigaciones se concentran en el desarrollo de baterías que sean más livianas, de alta duración y fácilmente recargables.
• Celdas de combustión
Otra forma de transformar energía química en electricidad, es la oxidación directa del combustible en una celda de combustión. Este dispositivo puede duplicar la eficiencia energética, en comparación con la obtenida por los motores y en las plantas termoeléctricas.
Al realizar este proceso no genera óxidos de nitrógeno que son contaminantes atmosféricos ya que es un proceso electroquímico.
• Energía nuclear
Hay dos formas de producir energía a través de las reacciones nucleares: la fisión y la fusión.
La fisión se produce por un proceso inducido por neutrones con ruptura de núcleos pesados, y la fusión implica la unión de núcleos ligeros, principal fuente de la energía solar.
• Generación de corriente por energía solar
La energía solar puede ser convertida en electricidad, sin el impacto negativo que tiene el uso de los combustibles fósiles sobre el medio ambiente. El uso de celdas fotovoltaicas corrientes, por aplicación del efecto fotoeléctrico, permite convertir la energía solar en electricidad. Pero, su aplicación masiva esta en estudio por su alto costo y baja eficiencia (12%).
La química tiene que ver mucho con nuestra vida cotidiana aunque no parezca, nuestra vida cotidiana esta llena de elementos que están directa o indirectamente relacionados con la química como por ejemplo:
La Química y los materiales
La elaboración de nuevos materiales ha reportado grandes beneficios sociales y económicos. Aquí veremos algunas aplicaciones en el campo de los materiales.
• Materiales livianos y resistentes
• Cerámicas para motores
• Polímeros y conservación de los alimentos
• Materiales derivados del petróleo
• Materiales de construcción
• Manipulación de átomos individuales
La Química y salud humana
En los últimos 50 años hubo un gran avance en la producción de vacunas, y antibióticos, y otros productos que permiten salvar o prolongar la vida de muchas personas. Actualmente se trabaja en sustancias químicas para remediar algunas enfermedades, entre las más importantes el SIDA.
• Prótesis y biomateriales
• Síntesis química de medicamentos
La Química y las comunicaciones
• Fibras ópticas
• Conductores orgánicos
Química Ambiental
En los últimos años ha habido un interés por la protección del medio ambiente, a pesar de las distintas legislaciones que han ido apareciendo igual se sigue deteriorando el medio ambiente. El objetivo es un equilibrio entre la actividad humana, la calidad de vida y el medio ambiente.
• Química de la Atmósfera
• Control de emisión de vehículos
Asi que en resumen la química nos sirve para desarrollar un conocimiento más completo sobre el mundo que nos rodea y mediante esos conocimientos crear tecnologías mejores y mas efectivas
Evolución del átomo
Leucipido y Demócrito, siglo V a.C. Teoría atomista: partículas muy pequeñas “átomos”
Empédocles, siglo V a.C. Materia formada por 4 elementos(agua, fuego, aire, agua)
Aristóteles, siglo IV Añadió un quinto elemento el Éter
J. Dalton, 1803 Teoría atómico molecular. Es una teoría científica
J.J. Thompson Modelo atómico de “budín de pasas”
E. Rutherford, 1911 Modelo planetario para el átomo, mucho vació y un núcleo
N. Bohr, 1913 Modelo de niveles de energía, basado en la teoría cuantica
A. Sommerfeld, 1916 Orbitas elípticas y subniveles de energías
L. de Broglie, 1924 Modelo onda-Partícula para el electrón
W.K. Heisenberg, 1926 Principio de incertidumbre
E. Schrodinger Ecuación de onda para el electrón
J. Chadwick, 1932 Descubrimiento del neutron
Resumen de la historia de la química
Desde que se descubrió el fuego, las diversas culturas lo han utilizado en múltiples usos, pero en el avance tecnológico, un hito importante en el uso del fuego es la fuente de calor para la obtención de metales.
Se cree que el cobre fue el primer metal obtenido, hacia el año cinco mil a.C., en la región que hoy corresponde a Irán y Afganistán. Sin embargo, este metal es blando, y muchos años después se encontró que la adhesión de otro, el estaño, lo endurecería. El metal más duro resultado de la aleación cobre-estaño, es el bronce, que se propago después desde Mesopotamia, hacia China, donde su uso alcanzo el máximo apogeo cerca del año mil quinientos a.C. Al mismo tiempo comenzaba a generalizarse el uso del hierro en las cercanías del Mar Negro, alcanzando su máximo desarrollo en la India, hacia el año mil a.C.
Para obtener cada metal se fue necesitando de un procedimiento más complejo: así nació la metalurgia; se empieza a recurrir al uso de numerosas sustancias químicas, pero el interés se centra en el producto final, en como conseguirlo y sus principales aplicaciones.
Para la gente de aquella época seria difícil explicar porque cuando se agrega estaño al cobre se obtiene una aleación dura. Se sabe que al hacerlo, resulta un metal más duro, pero desconocen las razones; el conocimiento empírico precedió el conocimiento científico.
Desde la Grecia Clásica hasta Lavoisier
Con los avances logrados en las primeras civilizaciones, el hombre dispuso de conocimientos empíricos y descripciones de fenómenos que harían suponer el surgimiento de una etapa superior, en la que el cuestionamiento de los hechos observados sería cercano a lo que hoy llamamos el “racionamiento lógico”
Por esto sabemos que los griegos de la época clásica fueron famosos por sus aportes a diversas áreas del conocimiento.
Entre ellas la química, donde fueron legadas dos nociones muy importantes, tales son el concepto de átomo y el de elemento, aunque solo en el siglo XIX podrían adquirir el actual significado.
• Composición de la materia
Para Tales de Mileto la materia estaba compuesta por agua; para Amaximenes por aire; para Heraclito de Efeso por fuego. Pero fue Empedocles de Agriento en Sicilia, quien postuló la Teoría de los cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego, los cuales estarían constituidos por minúsculas partículas. Esta doctrina fue enriquecida por Aristóteles Estagira, y estuvo vigente, gracias a su gran prestigio, hasta el siglo XVI y, ya solo parcialmente hasta el siglo XVIII.
Aristóteles postulaba la existencia de una materia primaria, que llamo elemento, y cuatro cualidades frío, calor, húmedo y seco. La combinación de dos cualidades daba origen a la materia primaria, de la cual esta hecho todo lo que nos rodea. Si se combina lo seco con lo frío, se obtiene la tierra; lo frío con lo húmedo el agua; lo húmedo con lo caliente el aire y lo caliente con lo seco el fuego.
Para Demócrito, la materia esta constituida por átomos que se mueven en el vacío en forma continua y al azar. Además, los átomos tienen forma y tamaño, lo que explica sus propiedades. Este planteamiento se asemeja bastante a uno de los postulados de la actual Teoría Cinético Molecular que propone que todos los cuerpos, con independencia de su estado físico, están formado por partículas (átomos o moléculas) que están en continuo movimiento o vibrando.
Sin embargo, prevaleció la teoría perfeccionada de los cuatro elementos, presentada por Aristóteles, por el prestigio incuestionable del filósofo.
• La Alquimia: una larga etapa
Este periodo del desarrollo de la química parece iniciarse en Egipto, o Khem, la tierra del suelo oscuro, y de allí podría derivar Al Khem (el arte del suelo oscuro) que combina aspectos que van desde filosofía griega y artesanía oriental hasta magia y misticismo religioso. Su principal objetivo se dice que era la obtención de metales nobles, tales como oro y plata, a partir de metales comunes, como estaño y plomo, trasmutándose por la piedra filosofal.
Entre los siglos IV y V, los emigrantes llevaron sus conocimientos a los Árabes. Entre los siglos VIII y XI se alcanzo un notable desarrollo de las ciencias en esta región. Los conocimientos de los alquimistas Árabes fueron llevados a Europa entre los siglos XI y XVI, a través de Sicilia y España.
El mayor aporte de los alquimistas es el de los equipos y aparatos de laboratorio, las técnicas experimentales y métodos para preparar numerosas especies químicas.
Algunos alquimistas famosos fueron Geber, Avecina, Averroes, San Alberto Magno, Roger Bacon, Raimundo Lulio.
• La Iatroquimica: incursión de la Química en la Medicina
Se caracteriza por la introducción de productos químicos en la practica medica, teniendo como primer impulsor a Paracelso. Él afirma que la finalidad de la Química no es producir oro, sino descubrir medicamentos. Para curar enfermedades ocupo medicamentos de origen metálico y opio.
Entre sus seguidores se destacan Andreas Libavius y Bautista van Helmont.
• Robert Boyle: el químico escéptico que destrona a Aristóteles
Postulo que el progreso de una verdadera ciencia se basa en la acumulación de pruebas experimentales que fundamenten los conceptos y los términos. Con Boyle la definición de elemento pasa de campo de la especulación metafísica al experimental.
Pese a su gran aporte, creía que el fuego tenía peso, aún cuando en su época algunos experimentos de Juan Mayow daban luces sobre el proceso de combustión.
• Los comienzos de la Química Moderna
Se considera a Antoine Laurent Lavoisier como el fundador de la Química Moderna. Sus aportes cubren además de la Química, múltiples áreas.
A él se le atribuye de utilizar la balanza para la demostración de las leyes fundamentales de la Química. Lavoisier demostró cuantitativamente que no era posible transformar agua en tierra, como se establecía en la teoría de los cuatro elementos. Estudio también cuidadosamente el fenómeno de la combustión y el de la calcinación. Más tarde, cuando Joseph Priestley descubrió el “aire deflogisticado”, Lavoisier comprobó que este gas se absorbía cuando los metales formaban las “cales”, y lo llamo oxígeno. Así se demostró que la teoría del flogisto era errónea.
Lavoisier se dio cuenta de que los gases podían ser generados en una reacción química o recombinarse químicamente. Demostró que la masa de todas las sustancias contenidas en el recipiente es la misma, antes y después de que tiene lugar la reacción, aun cuando la materia experimente cambios de forma.
“Hacia la Química de Hoy”
Se podría postular que los alquimistas fueron quienes abrieron el camino hacia la “Química de hoy” en muchos procedimientos practicados. Crearon diversas técnicas experimentales y descubrieron una amplia variedad de sustancias. Al margen de sus interpretaciones erróneas, tienen el mérito de haber sido los primeros que buscaron en los experimentos la fuente del conocimiento.
Más tarde, en el siglo XVI, los iatroquimicos, buscaron el “elíxir de la vida” y fueron capaces de introducir diferentes sustancias con fines curativos. En los siglos XVI y XVII, con el movimiento renacentista, se desarrolla un espíritu de investigación que se basa en el razonamiento y en la experimentación.
Con esta forma de proceder, razonar y experimentar de fines del siglo XVIII, la Química posee una nueva manera de interpretar los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor.
Dilucidando la constitución básica de la materia
Si no tuviera término la división de un trazo de cualquier metal, entonces se concluiría que la materia es continua; en caso contrario se pensaría que la materia está formada por partículas en extremo pequeñas que no podríamos ver ni romper.
Esta idea de una materia “discreta” fue formulada por los griegos en el siglo V a.de.c con una concepción intuitiva, filosófica y sin ninguna base de comprobación experimental.
En 1808, gracias al trabajo de un profesor llamado John Dalton (1766-1844) fue capaz de proponer la “teoría atómica”, la cual comprende los siguientes postulados:
• La materia está formada de diminutas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos.
• Todos loa átomos de un mismo elemento son iguales y se caracterizan por tener la misma masa, pero son diferentes a otros átomos de otros elementos.
• Cuando los átomos de distintos elementos se combinan para formar compuestos, no pierden su identidad y se combinan en una razón definida de números enteros pequeños como 1 es a 1 (1:1), 1 es a 2 (1:2), … etc.
Para Dalton la teoría atómica se basaba principalmente en dos leyes experimentales: “Ley de conservación de la materia” y “ley de las proporciones definidas”. Además, usando su teoría atómica, enuncio y comprobó experimentalmente la “ley de las proporciones múltiples”.
• Ley de conservación de la materia
Esta ley propuesta por Lavoisier dice que, independiente del cambio al que sometemos a la materia, su masa se mantiene siempre igual.
Para Dalton, esta ley podrá explicarse sobre la base de la teoría atómica: “Si los átomos tienen masas definidas no pueden dividirse ni destruirse, entonces en un cambio químico, los átomos simplemente se reordenan; así, la masa total debe ser la misma antes y después de la reacción química”
• Ley de las proporciones definidas
En 1799, el francés Joseph Proust (1754-1826), después de un cuidadoso análisis de la composición del carbonato de cobre, un compuesto que obtenía de algunos minerales o por medio de una reacción química, observó que siempre estaba formado por la misma proporción en masa, de cobre, carbono y oxigeno. Hoy sabemos que esta observación llamada “ley de las proporciones definidas”, se aplica a todos los compuestos químicos puros.
Dalton también entrega una explicación para la ley de Proust: “Los elementos se combinaran para formar un compuesto en proporciones definidas, entonces la composición constante en que se combinan los elementos corresponde a una proporción definida de átomos de esos elementos”, Dalton añade: “ Para formar un compuesto químico, los átomos que conforman a los elementos se unen entre sí, siguiendo una razón de números enteros, ya que los átomos no pueden dividirse, por ejemplo un átomo de C más dos átomos de D producen el compuesto CD2“
• Ley de las proporciones múltiples
Dalton probó que cierto par de elementos solo producía un tipo de compuesto; por ejemplo, el sodio y el cloro producen únicamente la sal de mesa. También comprobó que otros pares de elementos formaban dos o más compuestos diferentes, como por ejemplo el carbono y el oxigeno que producen el monoxido o el dioxido de carbono.
Las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del otro elemento, se encuentran en una razón de números enteros. Esta observación se llama actualmente “ley de las proporciones múltiples”
Más allá de la teoría atómica de Dalton
Hoy se ha comprobado que los átomos son partículas indivisibles, que se organizan formando una estructura interna. Sin embargo, las ideas esenciales de la teoría atómica de Dalton son aún válidas:
• Los elementos se conforman de átomos y los compuestos se forman por la unión de átomos en una razón de números enteros.
• Durante un cambio químico, los átomos no se alteran, sólo se reordenan resultando diferentes combinaciones.
Durante el siglo XIX muchas investigaciones pusieron en tela de juicio la teoría atómica de Dalton.
Ley de los volúmenes de combinación
En 1808, el químico francés Joseph Gay-Lussac (1778-1850) comprobó que cuando dos gases reaccionan a una misma presión y temperatura, lo hacen en forma que los volúmenes de combinación están en una razón de números enteros como 1:1, 1:2, 1:3, etc.
Los resultados eran inaceptables para Dalton y lo atribuyó a errores de medición, puesto que él consideraba que “volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura contenía igual cantidad de átomos”.
En 1811, el químico italiano Amadeo Avogrado (1776-1856) formuló una hipótesis para hacer compatibles los resultados de Gay-Lussac con la teoría de Dalton.
• Hipótesis de Avogrado
Avogrado postuló que “volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura contienen igual cantidad de moléculas”.
El concepto de “molécula” aparecía por primera vez en el lenguaje de la química. Según Avogrado, las moléculas podían estar constituidas por uno o más átomos iguales o distintos.
Dalton y la comunidad científica de la época no aceptaron las ideas de Avogrado (moléculas formadas por átomos iguales) y debió pasar alrededor de medio siglo para que el congreso de químicos de Karlsruke (1860) aceptara definitivamente el concepto de molécula.
Estableciendo los pesos atómicos de los elementos
Dalton fue capaz de construir la primera tabla de “pesos atómicos” para probar su teoría. Dalton supuso arbitrariamente que cuando dos elementos formaban un solo compuesto, lo hacían en la razón atómica más simple 1:1. Así, en el caso de los elementos que conforman el agua: hidrogeno y oxigeno, él los hizo reaccionar para analizar la proporción en que se combinaban. El resultado mostró que 1 gramo de hidrógeno reaccionaba con 7 gramos de oxígeno para producir 8 gramos de agua. Dalton suponía que el agua estaba formada por un átomo de hidrogeno y uno de oxígeno, lo cual daba una formula HO.
En base a estos datos, Dalton concluyó que el oxígeno era 7 veces más pesado que el hidrógeno, y a éste último le asignó un valor de peso arbitrario, igual a 1. Posteriormente, dedujo los pesos atómicos para otros elementos
La primer tabla periódica de los elementos
En 1869, el químico ruso “Dimitri Mendeleiev” formuló un principio de clasificación de los elementos químicos (debido a que aumentaba la cantidad de elementos descubiertos) y que fue capaz de construir la primera tabla periódica.
Mendeleiev postuló: “Las propiedades de los elementos son funciones periódicas de sus pesos atómicos”, es decir, el ordenamiento de los elementos se basa en el orden creciente de sus pesos atómicos, y este hecho se llama “Ley periódica de los elementos”.
Hacia los conceptos fundamentales de la Química
La Ley de Conservación de la Materia, formulada por Lavoisier, por ejemplo es actualmente considerada una Ley natural, puesto que corresponde a una conceptualización que interpreta a todos los cambios que ocurren en la naturaleza. Por su parte, el concepto de elemento químico como sustancia básica y más simple de toda materia, resulta indiscutible.
Los conocimientos acumulados al final del siglo XIX, sugerían que era incontenible una teoría de la materia basada en átomos indivisibles. Así, la teoría atómica de Dalton ya no serviría; era necesario seguir investigando, hechos y antecedentes que ayudaran a explicar los nuevos resultado experimentales.
Las primeras transformaciones químicas, como la cocción de almejas, la producción de metales, cerámicas y vidrio, son procesos que fueron descubiertos a propósito o por una simple práctica de ensayo u error.
La Química y la energía
Hasta la mitad del siglo XIX, la madera fue la principal fuente de energía, luego fue el carbón y a comienzos de siglo apareció el petróleo. Pero la gran demanda de este producto lo esta llevando al agotamiento de las fuentes convencionales y se estima que hará crisis a mediados del próximo siglo. Por esto, se están investigando nuevos combustibles líquidos a partir del carbón y del gas natural.
• Combustibles líquidos a partir del gas natural
Para convertir el gas natural en gasolina y en otros combustibles líquidos, se realiza la oxidación parcial. Así, se transforma el gas natural en monóxido de carbono e hidrógeno, los que son recombinados catalíticamente para producir moléculas de hidrocarburos más grandes, como los que forma la gasolina.
• Energía eléctrica
La Química aporta a la energía eléctrica colaborando con nuevos materiales capaces de conducir la energía eléctrica en forma más eficiente. Las últimas investigaciones se concentran en el desarrollo de baterías que sean más livianas, de alta duración y fácilmente recargables.
• Celdas de combustión
Otra forma de transformar energía química en electricidad, es la oxidación directa del combustible en una celda de combustión. Este dispositivo puede duplicar la eficiencia energética, en comparación con la obtenida por los motores y en las plantas termoeléctricas.
Al realizar este proceso no genera óxidos de nitrógeno que son contaminantes atmosféricos ya que es un proceso electroquímico.
• Energía nuclear
Hay dos formas de producir energía a través de las reacciones nucleares: la fisión y la fusión.
La fisión se produce por un proceso inducido por neutrones con ruptura de núcleos pesados, y la fusión implica la unión de núcleos ligeros, principal fuente de la energía solar.
• Generación de corriente por energía solar
La energía solar puede ser convertida en electricidad, sin el impacto negativo que tiene el uso de los combustibles fósiles sobre el medio ambiente. El uso de celdas fotovoltaicas corrientes, por aplicación del efecto fotoeléctrico, permite convertir la energía solar en electricidad. Pero, su aplicación masiva esta en estudio por su alto costo y baja eficiencia (12%).
La química tiene que ver mucho con nuestra vida cotidiana aunque no parezca, nuestra vida cotidiana esta llena de elementos que están directa o indirectamente relacionados con la química como por ejemplo:
La Química y los materiales
La elaboración de nuevos materiales ha reportado grandes beneficios sociales y económicos. Aquí veremos algunas aplicaciones en el campo de los materiales.
• Materiales livianos y resistentes
• Cerámicas para motores
• Polímeros y conservación de los alimentos
• Materiales derivados del petróleo
• Materiales de construcción
• Manipulación de átomos individuales
La Química y salud humana
En los últimos 50 años hubo un gran avance en la producción de vacunas, y antibióticos, y otros productos que permiten salvar o prolongar la vida de muchas personas. Actualmente se trabaja en sustancias químicas para remediar algunas enfermedades, entre las más importantes el SIDA.
• Prótesis y biomateriales
• Síntesis química de medicamentos
La Química y las comunicaciones
• Fibras ópticas
• Conductores orgánicos
Química Ambiental
En los últimos años ha habido un interés por la protección del medio ambiente, a pesar de las distintas legislaciones que han ido apareciendo igual se sigue deteriorando el medio ambiente. El objetivo es un equilibrio entre la actividad humana, la calidad de vida y el medio ambiente.
• Química de la Atmósfera
• Control de emisión de vehículos
Asi que en resumen la química nos sirve para desarrollar un conocimiento más completo sobre el mundo que nos rodea y mediante esos conocimientos crear tecnologías mejores y mas efectivas
Evolución del átomo
Leucipido y Demócrito, siglo V a.C. Teoría atomista: partículas muy pequeñas “átomos”
Empédocles, siglo V a.C. Materia formada por 4 elementos(agua, fuego, aire, agua)
Aristóteles, siglo IV Añadió un quinto elemento el Éter
J. Dalton, 1803 Teoría atómico molecular. Es una teoría científica
J.J. Thompson Modelo atómico de “budín de pasas”
E. Rutherford, 1911 Modelo planetario para el átomo, mucho vació y un núcleo
N. Bohr, 1913 Modelo de niveles de energía, basado en la teoría cuantica
A. Sommerfeld, 1916 Orbitas elípticas y subniveles de energías
L. de Broglie, 1924 Modelo onda-Partícula para el electrón
W.K. Heisenberg, 1926 Principio de incertidumbre
E. Schrodinger Ecuación de onda para el electrón
J. Chadwick, 1932 Descubrimiento del neutron
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