INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA QUÍMICA
Ciencia y el Método científico
Existen distintos conceptos sobre Ciencia, los mismos que se traducen en mayor o menor similitud a lo siguiente: “Es el conocimiento organizado y sistematizado relativo a nuestro mundo físico” (Babor & Íbarz, 1974). Es la palabra latina equivalente a “conocimiento”; es un modo específico de ampliar, organizar y renovar la experiencia humana. Es un proceso de observación y razonamiento (Garitz Ruiz, Gasque Silva, & Martínez Vásquez, 2005).
El Método Científico es el enfoque sistemático de la investigación (Chang, 2010). Este proceso inherente a la naturaleza humana empieza con dos procesos fundamentales: la observación y el razonamiento. La observación le ha valido al ser humano para comprender las experiencias que ocurren en su entorno, tratando de en ello aplicar la razón y hallar una explicación para ello. Del conjunto de múltiples datos, sean estos cualitativos o cuantitativos, producto de las observaciones, se infieren periodicidades o regularidades del fenómeno observado, con lo que se logra plantear una hipótesis, que constituye una explicación tentativa, un enunciado a ser probado del conjunto de observaciones. De esto, se diseñan experimentos que permitan validar la hipótesis planteada y resumirla en una ley que conste de un enunciado verbal o matemático de la relación entre fenómenos, que describe o expone el comportamiento general de la Naturaleza y que es la misma siempre bajo las mismas condiciones. Finalmente, si al conseguir probar la hipótesis, luego de varios ensayos y de ello establecer una ley que describa en su totalidad el fenómeno, se llega a alcanzar una teoría del estudio, que es un principio unificador que explica un conjunto de hechos o de las leyes que describen esos hechos (Chang, 2010) (Garitz Ruiz, Gasque Silva, & Martínez Vásquez, 2005).
El método científico se compone de seis etapas:
1. Formulación de preguntas sobre algún hecho o sobre la acumulación de hechos. Realizar repeticiones (observaciones) concentradas en ello. Los datos obtenidos de estas investigaciones pueden ser cuantitativos o cualitativos.
2. Interpretación y generalización de los hechos, mediante la identificación de patrones, y su descripción en hipótesis. 3. Validación de la hipótesis. Esquematizar un diseño experimental que contenga ecuaciones que perfilen la relación entre las variables. Determinación de la ley. 4. Establecimiento de la teoría, como producto de la aprobación de la hipótesis y de la ley, que explique el fenómeno en cuestión. 5. Comparación de las deducciones, obtenidas de hipótesis y teorías, con los resultados experimentales, para someter a prueba la validez de la teoría. 6. Predicción de nuevos hechos, empleando la teoría obtenida, con nuevas interrogantes y nuevas observaciones (Garitz Ruiz, Gasque Silva, & Martínez Vásquez, 2005) (Babor & Íbarz, 1974).
La actividad científica aporta un margen de certeza en la reproducibilidad y en la capacidad de predicción de fenómenos (Garitz Ruiz, Gasque Silva, & Martínez Vásquez, 2005).
El conjunto de saberes de una época puede ser superado por los resultados de nuevas investigaciones, para establecer nuevas teorías. El carácter transitorio del conocimiento científico surge de la continua necesidad de renovarlo, refinarlo y ampliarlo.
Clasificación de la ciencia
Existen distintos campos de estudio de la Ciencia:
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Astronomía: estudia los cuerpos celestes del Universo.
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Geología: estudia la estructura de la Tierra, sus cambios y las leyes que determinan éstos.
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Física: estudia la producción, naturalez, transformaciones y efectos de los distintos tipos de energía.
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Química: estudia la constitución y transformación de la materia.
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Biología: estudia el origen, la estructura, funciones e historia de los seres vivientes.
Las Matemáticas y la Lógica no son ciencias como tal, sino métodos de clasificar e investigar los hechos presentados por las otras ciencias. Existen las Ciencias Físicas y las Ciencias Biológicas. En contexto general, la Ciencia busca la relación entre todos los fenómenos naturales.
La Química como campo de la Ciencia.
La Química es el estudio de la constitución y propiedades de la materia y de los cambios que ocurren en ella (Babor & Íbarz, 1974). Comprende el estudio de la materia: constitución, propiedades y transformaciones. Su objeto de estudio resulta ser todo el Universo. De acuerdo a la definición canadiense Nyholm: “La química es el estudio integrado de la preparación, propiedades, estructura y reacciones de los elementos y sus compuestos, así como de los sistemas que forman” (Garitz Ruiz, Gasque Silva, & Martínez Vásquez, 2005).
Actúa en tres niveles: -
Macroscópico: se ocupa de las propiedades de los objetos grandes y visibles a simple vista.
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Microscópico: interpreta las transformaciones en términos de reordenamiento de los átomos.
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Simbólico: expresa los fenómenos químicos, a través de símbolos químicos y ecuaciones matemáticas. Este nivel mantiene unidos a los dos niveles.
Objetivos
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Identificar las propiedades específicas de la materia, no se limita a sus atributos.
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Estudiar las transformaciones o cambios, conocidas como reacciones químicas. En la energía que las producen, su velocidad de reacción, las relaciones cuantitativas entre las sustancias interventoras.
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Descubrir nuevas sustancias aún no identificadas, sus propiedades y posibles aplicaciones.
Importancia de la Química
La Química está presente en las distintas facetas de nuestra vida y hace posible que podamos desarrollar nuestras actividades con facilidad. Así, nos provee de la energía con la que se mueven los motores, aceros y aleaciones ligeras, cauchos, gasolinas, lubricantes, lacas y más materiales que nos brindan bienestar.
No podríamos imaginar nuestra vida actual sin el aporte diario de la química. A nivel de la salud se destacan tres aportes importantes en el siglo XX, que han permitido que el estimado del tiempo de vida aumente debido a la prevención y tratamiento efectivo de enfermedades, éstos son el desarrollo de la farmacéutica, la aplicación de anestesia en cirugías y el establecimiento de sistemas sanitarios para la prevención de enfermedades. Actualmente los avances científicos apuntan al desarrollo de la terapia génica, en animales, plantas y humanos, para actuar a nivel génico en enfermedades tales como cánceres, enfermedades cardíacas, sida y otras relacionadas a la corrección en el genes específicos. Todos estos avances perfilan una mejor calidad de vida y con mayor esperanza de tiempo.
En la energía y el ambiente ha permitido el progreso en la consecución de energía, que para el mundo actual necesita cubrir una demanda mayor. Los progresos intentan encontrar nuevas fuentes de energía, ya que el empleo de combustibles fósiles produce incremento de CO2 y gases de invernadero, además de grandes índices de contaminación por su extracción y procesamiento. Las fuentes de energía para el futuro son la energía solar, que pese a su potencial de uso no es debidamente aprovechada. Se proponen dos formas de empleo: celdas fotovoltaicas y para obtener hidrógeno del agua. Sin embargo estas tecnologías aún no tienen su explotación.
División de la Química
Siendo la Química una Ciencia que abarque un campo de estudio muy amplio y por fines didácticos, se ha determinado su especialización o subdivisión en distintas ramas: -
Química General: estudia los principios fundamentales relativos a la constitución y propiedades de la materia.
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Química Inorgánica: estudia los elementos y compuestos que forman, con excepción casi en totalidad de los compuestos del carbono.
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Química Orgánica: se refiere a los compuestos del carbono, entendiéndose como los compuestos o sustancias que tienen relación con los seres vivos.
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Química Analítica: estudia los métodos de análisis de la composición de las sustancias, en cuanto a su calidad (análisis cualitativo), como a su cantidad (análisis cuantitativo).
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Química Física: estudia las relaciones cuantitativas entre las propiedades de las sustancias y su estructura.
Existiendo muchas otras ramas de aplicación de la Química, como campos del conocimiento y de la Ciencia existan.
Síntesis de la historia de la Química
Esta breve introducción a lo que ha sido el desarrollo del conocimiento científico y evolución de la química, es tomada del libro de Babor e Íbarz (1974), que despliega en forma concisa pero amplia este capítulo de la historia. El desarrollo de nuestra civilización está ampliamente marcado por el desarrollo de las Ciencias Químicas y Físicas. Haciendo una revisión en la historia de la Química, se observa que su época de mayor progreso está ubicada en los últimos doscientos años, un tiempo de avance relativamente vertiginoso comparado con el tiempo del paso del hombre por este planeta. Esto nos lleva a plantearnos la cuestión sobre qué pasó en el tiempo antecedente a este, evidenciando un lento avance del pensamiento científico. La concatenación entre los sucesos en la historia de la humanidad y el planteamiento del estudio de los mismos, manifiesta en el desarrollo de la Química su naturaleza de Ciencia.
Una retrospección por estudio de la historia de la química nos acerca al pensamiento de los grandes estudiosos, para valorar los esfuerzos previos y continuar en el proceso del descubrimiento del saber.
Época primitiva
Se caracteriza por la conquista del hombre por el fuego. La Química se hace presente en las artes y oficios del hombre primitivo, a través de hallazgos de los vestigios de las culturas primitivas que dan cuenta de los primeros intentos de implementación de la Química: artículos elaborados de metal, cerámica, vidrio, pigmentos y telas teñidas, preparación de perfumes y cosméticos, bálsamos empleados en la momificación. Es importante el uso de los metales en la vida del hombre primitivo, ya que le permite la fabr icación de artículos elaborados con materiales resistentes y duraderos, a los que podía darles forma con cierto grado de habilidad. Así aparecen las edades del oro, plata y bronce. Edad del oro (5000 a.C.): encontrado en forma libre, de atractivas características, le confieren su apelativo de metal precioso. Altamente apreciado por los chinos. Muchas veces encontrado
junto a la plata, lo que en un inicio llevó a suponer que el electrón (aleación del oro y la plata), era un metal distinto. También llegó a conocerse el cobre. De aquí surge la Edad del bronce. Edad del bronce (4000 a.C.): Aparece en el Egipto de las primeras dinastías y la Grecia Homérica. De amplio uso, análogo al hierro de nuestra época. Los fenicios fueron de los primeros orfebres en este material, destacando en la confección de armamento. Edad del hierro (1200 a.C.): En inicio era manufacturado con dificultad, por lo que existía en forma limitada. Aquí también se aprendió a fabricar el acero, del que identificó que su resistencia aumentaba con el temple, llegando inclusive a protegerlo de la corrosión. Los metales adquirieron un carácter místico, siendo comparados con los astros: el oro con el Sol, la plata con la Luna, el cobre con Venus, el hierro a Marte, el estaño a Júpiter, el plomo a Saturno y el mercurio a Mercurio. Durante este tiempo, la civilización Griega fue la más avanzada. Fabricaban vidrios y esmaltes, imitaban los metales nobles, rubíes, zafiros, y esmeraldas. Utilizaban la lana, el algodón y el lino que era teñido. Preparaban perfumes, bálsamos, venenos, jabones y otras sales de sodio, potasio, cobre, aluminio y de otros metales. En embalsamientos empleaban betunes. Todas estas actividades eran netamente artesanales.
Doctrinas químicas antiguas.
El hombre prehistórico confería un origen fantástico a su mundo físico, creando mitos en los cuales cada evento de la naturaleza era producido por un dios o figura humana, explicando las eventualidades como la acción de agentes sobrenaturales. Este estado Teológico perduró hasta el siglo VI a.C. Aparece en Grecia un movimiento intelectual, en el cual varios filósofos empiezan a cuestionarse sobre los orígenes de mundo físico, postularon teorías en las cuales los elementos eran el principio de lo tangible, así para Tales, de Mileto (624-565 a.C.) fue el agua; para Anaxímenes (585-524 a.C.) era el aire; para Heráclito, de Efeso (540-475 a.C.), el fuego. Posteriormente Empédocles, de Agrigento (400-430 a.C.) postuló los cuatro elementos anteriores al que sumó la tierra, a los cuales transformaba en caliente o frío, seco o húmedo dos fuerzas cósmicas: el amor o el odio, teoría aceptada y sostenida por Aristóteles, de Estagira (384-322 a.C.).
Leucipo y su discípulo Demócrito (460-370 a.C.) propusieron una constitución discontinua de la materia: el ser y no ser, para Epicuro, acuñó el término átomo, término explicado por Demócrito. La cuna de la ciencia se establece en el 300 a.C. en Alejandría, donde florecieron ciencias como la matemática, astronomía, biología, entre otras, hasta el 400 d.C.
La Alquimia
Entre el 400 al 1000 de nuestros tiempos, en la Era del Oscurantismo, ocupaba el estudio teológico del espíritu humano. En el siglo VII se presta interés por la Ciencia, entre los árabes y posteriormente en Europa. Para la Alquimia, una ciencia de práctica mística, los cuerpos tenían dos compuestos comunes: el mercurio, que aporta el carácter metálico; el azufre, la volatilidad; y la sal, la solidez y solubilidad. Principio conocido como “tría prima”. Se estableció la transmutación de los metales innobles al oro, empleando para ello la piedra filosofal. Esta época aportaron desarrollo a la química de laboratorio, en la ejecución de técnicas que servirían en posterior como base de la investigación. Se debe a la Alquimia desarrollada por los árabes sustancias como la sal de amoníaco, el aceite de vitriolo (ac. Sulfúrico), el agua fuerte (ácido nítrico), el agua regia, algunos sulfuros metálicos, compuestos de mercurio y arsénico, el alcohol. Luego la Alquimia perdió su carácter ideal para ser considerado un acto de engaño y charlatanería. Ya desde el siglo XIV surge en Italia un nuevo movimiento: el Renacimiento, que abre campo a un nuevo capítulo del desarrollo de las Ciencias y las Artes, aparecen nuevos nombres como: Leonardo Da Vinci, Francis Bacon, atribuido a el desarrollo del método experimental, Galileo, astrónomo y físico, y Descartes quien establece las bases del método científico. A principios del siglo XVI se da paso a la preparación de drogas y remedios, dando una transición de la química a la iatroquímica, cuyo objetivo era la curación de enfermedades. El primero de los químicos que rompe la tradición Alquimista fue Robert Boyle (1672-1691), quien establece conceptos modernos como elemento, indicando que existen mucho más que únicamente los cuatro antes propuestos. Asimismo adopta la teoría atómica para explicar las transformaciones químicas.
La teoría del flogisto
Es Georg Ernst Stahl (1660-1734), quien establece la teoría del flogisto, o teoría sublime, que establece que toda sustancia combustible, como el metal, tiene un principio inflamable, el flogisto, que se desprende, dejando cenizas, al ser incinerado. Sin embargo esta teoría presentaba incongruencias, pero sirvió de guía a nuevos investigadores.
Lavoisier y la revolución química
Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) destruye la teoría del flogisto al establecer la verdadera naturaleza de la combustión, instaurando las nuevas bases de la química moderna. Sus experimentos eran registrados en base al peso. Decreta la noción de cuerpo puro por sus experimentos de destilación; adopta los aportes de Boyle. Precisa el principio de conservación de la materia. Sus aportes condujeron a la nueva nomenclatura química, conjuntamente con los estudios de Morveau, Berthollet y Fourcroy. Se consigue un desarrollo de la química más científico, en base al análisis cuantitativo y se pone en manifiesto las leyes ponderables de las combinaciones químicas. Dalton (1808) funda la teoría atómica, da origen a la notación química desarrollada por Berzelius (1835). Avogadro (1811) implanta conceptos como átomo y molécula y determina las bases de pesos moleculares y atómicos (1858).
La Química Desde Lavoisier hasta la actualidad
Posterior a la defenestración del flogisto como teoría por Lavoisier, se continúo con el progreso del conocimiento científico, llegando la determinación de las leyes ponderales de las combinaciones químicas. Dalton (1808) con la teoría atómica, aplica dichas leyes. Berzelius (1835) introduce la notación química. Avogadro (1811) instaura conceptos fundamentales de átomo y molécula, que servirían para establecer las bases de pesos moleculares y atómicos. Llega también el estudio de la Química Orgánico con los trabajos de Lavoisier y Liebig. Entran en vigencia los estudios de las sustancias gaseosas con la teoría cinética de los gases y del calor.
Berthollet introdujo el estudio de las reacciones químicas, estableciendo el concepto de equilibrio químico, reafirmado con los estudios de Sainte-Claire Deville (1857), Gibbs (1876), Van’t Hoff y Le Chtelier (1880). A continuación emergen los estudios de la velocidad de reacción química, con la ley de acción de masas de Guldberg y Waage (1867), trabajos que servirían de base en la industria en el descubrimiento de los catalizadores, como aceleradores de reacciones. Llega posteriormente la clasificación periódica de los elementos por Mendelejew y Lothar Meyer (1869), lo que condujo a replantear la teoría atómica de Dalton, pues se pensó que los átomos debían ser más complejos, deducción comprobada en estudios de la conductividad eléctrica de los gases y en fenómenos de radioactividad. Para nuestros tiempos se conoce en profundidad sobre la estructura del átomo por interpretación de la valencia y de las propiedades físicas y químicas de los elementos, el desarrollo de la Química Nuclear que a su vez a permitido llegar a conocer nuevos elementos y a liberar la Energía Nuclear.
Bibliografía Babor, J. A., & Íbarz, J. (1974). Química General Moderna (8va. ed.). Barcelona, España: Marín S.A. Chang, R. (2010). Química (10ma. ed.). China: McGraw Hill. Garitz Ruiz, A., Gasque Silva, L., & Martínez Vásquez, A. (2005). Química Universitaria. México, México: Pearson Educación.