Química
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Química (del griego χημεία khemeia que significa "alquimia"). Ciencia Natural que estudia la estructura, propiedades y transformación de la materia a nivel atómico y molecular.
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[editar] Introducción
La ubicuidad de la química en las ciencias naturales hace que sea considerada la Ciencia Central por muchos científicos. La química es de importancia en muchos campos del conocimiento, como la física, la ciencia de materiales, la biología, la medicina y la geología, entre otros.
Los procesos naturales estudiados por la química involucran partículas fundamentales (electrones y protones), partículas compuestas (núcleos atómicos, átomos y moléculas) o estructuras microscópicas como cristales y superficies. Como ejemplos de reacciones químicas tenemos:
- el resultado de la colisión de una partícula alfa con un átomo o molécula.
- la formación de moléculas o iones a partir de la colisión de dos átomos.
- la fragmentación, ionización o cambio de estructura de una molécula después de ser irradiada con luz.
- la adsorción de un átomo o molécula sobre una superficie.
- el flujo de electrones entre dos sólidos en contacto.
- el cambio estructural en una proteica ante el estimulo apropiado.
Desde el punto de vista microscópico, las partículas involucradas en una reacción química pueden considerarse como un sistema cerrado intercambiando energía con sus alrededores. En procesos exotérmicos, el sistema libera energía a sus alrededores, mientras que un proceso endotérmico solamente puede ocurrir cuando el entorno aporta energía al sistema reaccionante. En la gran mayoría de las reacciones químicas hay flujo de energía entre el sistema y sus alrededores, por lo cual podemos extender la definición de reacción química e involucrar la energía cinética (calor) como un reactivo o producto.
Aunque hay una gran variedad de ramas de la quimica, las principales divisiones son:
- Quimica organica
- Quimica inorganica
- Bioquimica
- Quimica fisica
- Quimica analitica
Es comun que entre las comunidades academicas de quimicos la quimica analitica no sea considerada entre las subdisciplinas principales de la quimica y sea vista mas como parte de la tecnologia quimica. Otro aspecto a notar en esta clasificacion es que la quimica inorganica sea definidia como "quimica no organica". De interes tambien es notar que la Quimica Fisica es diferente de la Fisica Quimica, la diferencia es clara en ingles "chemical physics" y "physical chemistry", en espanol debemos entender que el adjetivo va al final y la equivalencia seria:
- quimica fisica <==> Physical Chemistry
- fisica quimica <==> Chemical physics
Usualmente los quimicos son educados en terminos de fisico-quimica (Quimica Fisica), y los fisicos trabajan problemas de la fisica quimica.
La gran importancia de los sistemas biologicos hace que en nuestros dias gran parte del trabajo en quimica sea de naturaleza bioquimica. Entre los problemas mas interesantes se tienen por ejemplo el estudio del desdoblamiento de las proteinas y la relacion entre secuencia estructura y funcion de proteinas.
Si hay una particula importante y representativa en la quimica, es el electron. Uno de los mayores logros de la quimica es haber llegado al entendimiento de la relacion entre reactividad quimica y distribucion electronica de atomos, moleculas o solidos. Los quimicos han tomado los principios de la mecanica cuantica y sus soluciones fundamentales para sistemas de pocos electrones y los han extendido a sistemas realistas. La idea de orbital atomico y molecular es una forma sistematica en la cual la formacion de enlaces es entendible y es la sofisticacion de los modelos iniciales de puntos de Lewis. La naturaleza cuantica del electron hace que la formacion de enlaces sea entendible fisicamente y no se recurre a creencias como las que los quimicos utilizaron antes de la aparicion de la mecanica cuantica. Aun asi, gran entendimiento se obtuvo a partir de la la idea de puntos de Lewis y mucha quimica se hizo basado en ella. Hoy en dia, desde el punto de vista fisico, decir que dos electrones se atraen y buscan estar juntos y a ala vez apantallan la repulsion entre los nucleos positivos suena a ficcion. Desde este punto de vista, la quimica es una prueba gigantesca de la importancia de la naturaleza cuantica a nivel microscopico.
[editar] Historia
Las primeras experiencias del hombre como químico se dieron con la utilización del fuego en la transformación de la materia. La obtención de hierro a partir del mineral y de vidrio a partir de arena son claros ejemplos. Poco a poco el hombre se da cuenta de que otras sustancias también tienen este poder de transformación. Gran empeño fue dedicado a buscar una sustancia que transformara un metal en oro, lo que llevo a la creación de la alquimia. La acumulación de experiencias alquímicas jugó un papel vital en el futuro establecimiento de la química.
La química, es una ciencia empírica. Ya que estudia las cosas, por medio del método científico. O sea, por medio de la observación, la cuantificación y por sobretodo, la experimentación. En su sentido más amplio, la química, estudia las diversas sustancias que existen en nuestro planeta. Asimismo, las reacciones, que las transforman, en otras sustancias. Como por ejemplo, el paso del agua líquida, a la sólida. O del agua gaseosa, a la líquida. Por otra parte, la química, estudia la estructura de las sustancias, a su nivel molecular. Y por último, pero no menos importante, sus propiedades.
[editar] Subdisciplinas de la química
- Bioquímica — La química de los seres vivos y los procesos de la vida.
- Química física — Determinación de las leyes y las constantes fundamentales que rigen los procesos de la Química: Termodinámica, Propiedades Coligativas, Cinética y Mecanismos de Reacción, Qca. Teórica, Computacional, Cuántica.
- Química inorgánica — Síntesis y estudio de los compuestos que no se basan en cadenas de carbono.
- Química orgánica — Síntesis y estudio de los compuestos basados en estructuras donde el átomo de carbono es el principal elemento constituyente -es posible que existan otros átomos como Oxígeno, Nitrógeno, Azufre; pero carbono e hidrógeno son los principales. La palabra "Orgánica" viene de la química relacionada a los organismos u órganos biológicos.
- Química analítica — Estudio de la composición química de una muestra.
[editar] Campo de trabajo: el átomo
Los orígenes de lo teoría atómica se remontan a la Grecia antigua, a la escuela filosófica de los atomistas. La base empírica para tratar a la teoría atómica de acuerdo con el método científico se debe a un conjunto de trabajos aportados por Lavoiser, Proust, Richter, Dalton, Gay-Lussac y Avogadro; entre otros, hacia principios del siglo XIX.
El átomo es la menor fracción de materia de interés directo para la química, está constituido por diferentes partículas que poseen diferentes tipos de cargas, los electrones con carga negativa, los protones con carga positiva y los neutrones que como su nombre indica son neutros (sin carga); todos ellos aportan masa para contribuir al peso del átomo. El estudio explícito de las partículas subatómicas es parte del dominio de la física, la química sólo está interesada en estas partículas en tanto en cuanto éstas definan el comportamiento de átomos y moléculas.
[editar] Conceptos fundamentales
[editar] Partículas
Los átomos son las partes más pequeñas de un elemento (como el carbono, el hierro o el oxígeno). Todos los átomos de un mismo elemento tienen la misma estructura electrónica (responsable esta de la gran mayoría de las características químicas), pudiendo diferir en la cantidad de neutrones (isótopos). Las moléculas son las partes más pequeñas de una sustancia (como el azúcar), y se componen de átomos enlazados entre sí. Si tienen carga eléctrica, tanto átomos como moléculas se llaman iones: cationes si son positivos, aniones si son negativos.
El mol se usa como contador de unidades, como la docena (12) o el millar (1000), y equivale a . Se dice que 12 gramos de carbono, o un gramo de hidrógeno, o 56 gramos de hierro, contienen aproximadamente un mol de átomos (la masa molar de un elemento está basada en la masa de un mol de dicho elemento). se dice entonces, que el mol es una unidad de cambio. El mol tiene directa relación con el número de Avogadro. El número de Avogadro, fue estimado para el átomo de carbono por el Químico y Físico italiano Carlo Amedeo Avogadro Conde de Quarequa e di Cerreto. este valor, expuesto anteriormente, equivale al número de partículas presentes en 1 mol de dicha sustancia. Veamos:
1 mol de glucosa equivale a moléculas de glucosa
1 mol de Uranio equivale a átomos de Uranio
Dentro de los átomos, podemos encontrar un núcleo atómico y uno o más electrones. Los electrones son muy importantes para las propiedades y las reacciones químicas. Dentro del núcleo se encuentran los neutrones y los protones. Los electrones se encuentran alrededor del núcleo.
[editar] De los átomos a las moléculas
Los enlaces son las uniones entre átomos para formar moléculas. Siempre que existe una molécula es porque ésta es más estable que los átomos que la forman por separado. A la diferencia de energía entre estos dos estados se le denomina energía de enlace.
Generalmente, los átomos se combinan en proporciones fijas para dar moléculas. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno se combinan con uno de oxígeno para dar una molécula de agua. Esta proporción fija se conoce como estequiometría.
[editar] Orbitales
Para una descripción y comprensión detalladas de las reacciones químicas y de las propiedades físicas de las diferentes sustancias, es muy útil su descripción a través de orbitales, con ayuda de la química cuántica.
Un orbital atómico es una función matemática que describe la disposición de uno o dos electrones en un átomo. Un orbital molecular es análogo, pero para moléculas.
[editar] De los orbitales a las sustancias
Los orbitales son funciones matemáticas para describir procesos físicos: un orbital solo existe en el sentido matemático, como pueden existir una suma, una parábola o una raíz cuadrada. Los átomos y las moléculas son también idealizaciones y simplificaciones: un átomo sólo existe en vacío, una molécula sólo existe en vacío, y, en sentido estricto, una molécula sólo se descompone en átomos si se rompen todos sus enlaces.
En el "mundo real" sólo existen los materiales y las sustancias. Si se confunden los objetos reales con los modelos teóricos que se usan para describirlos, es fácil caer en falacias lógicas.
[editar] Disoluciones
En agua, y en otros disolventes (como la acetona o el alcohol), es posible disolver sustancias, de forma que quedan disgregadas en las moléculas o iones que las componen (las disoluciones son transparentes). Cuando se supera cierto límite, llamado solubilidad, la sustancia ya no se disuelve, y queda, bien como precipitado en el fondo del recipiente, bien como suspensión, flotando en pequeñas partículas (las suspensiones son opacas o traslúcidas).
Se denomina concentración a la medida de la cantidad de soluto por unidad de cantidad de disolvente.
[editar] Medida de la concentración
La concentración de una disolución se puede expresar de diferentes formas, en función de la unidad empleada para determinar las cantidades de soluto y disolvente. Las más usuales son:
- g/l (Gramos por litro) razón soluto/disolvente o soluto/disolución, dependiendo de la convención
- % p/p (Concentración porcentual en peso) razón soluto/disolución
- % V/V (Concentración porcentual en volumen) razón soluto/disolución
- M (Molaridad) razón soluto/disolución
- N (Normalidad) razón soluto/disolución
- m (molalidad) razón soluto/disolvente
- x (fracción molar)
- ppm (Partes por millón) razón soluto/disolución
[editar] Acidez
El pH es una escala logarítmica para describir la acidez de una disolución acuosa. Los ácidos, como el zumo de limón y el vinagre, tienen un pH bajo (inferior a 7). Las bases, como la sosa o el bicarbonato de sodio, tienen un pH alto (superior a 7).
El pH se calcula mediante la siguiente ecuación:
donde es la actividad de iones hidrógeno en la solución, la que en soluciones diluidas es numéricamente igual a la molaridad de iones Hidrógeno
que cede el ácido a la solución.
- una solución neutral (agua ultrapura) tiene un pH de 7, lo que implica una concentración de iones hidrógeno de 10-7 M
- una solución ácida (por ejemplo, de ácido sulfúrico)tiene un pH < 7, es decir que la concentración de iones hidrógeno es mayor que 10-7 M
- una solución básica (por ejemplo, de hidróxido de potasio) tiene un pH > 7, o sea que la concentración de iones hidrógeno es menor que 10-7 M
[editar] Formulación y nomenclatura
La IUPAC, un organismo internacional, mantiene unas reglas para la formulación y nomenclatura química. De esta forma, es posible referirse a los compuestos químicos de forma sistemática y sin equívocos.
Mediante el uso de fórmulas químicas es posible también expresar de forma sistemática las reacciones químicas, en forma de ecuación química.
[editar] Véase también
- IUPAC
- Lista de compuestos
- Propiedades periódicas
- Tabla periódica de los elementos
- Física
- Matemáticas
- Biología
- Absorción (química)
- Filosofía de la química
- Sustancia química
- Dinámica molecular
[editar] Enlaces externos
- Experimentos Caseros de Química
- ChemEurope.com Servicios de información a las industrias química, biotecnológica y farmacéutica en Europa.