LA QUIMICA • La química es la ciencia que trata de la composición y propiedades de la materia. La materia es el material físico del universo; es cualquier cosa que tiene masa y ocupa espacio. No todas las formas de la materia son tan comunes o tan conocidas, pero incontables experimentos han demostrado que la enorme variedad de la materia en nuestro mundo se debe a combinaciones de apenas poco más de un ciento de sustancias muy básicas o elementales, llamadas elementos. • La química permite obtener un entendimiento importante de nuestro mundo y su funcionamiento. Se trata de una ciencia eminentemente práctica que tiene una influencia enorme sobre nuestra vida diaria. De hecho, la química está en el centro de muchas cuestiones que preocupan a casi todo mundo: el mejoramiento de la atención médica, la conservación de los recursos naturales, la protección del entorno, la satisfacción de nuestras necesidades diarias en cuanto a alimento, vestido y albergue. • Con la ayuda de la química, hemos descubierto sustancias farmacéuticas que fortalecen nuestra salud y prolongan nuestra vida. Hemos aumentado la producción de alimentos mediante el desarrollo de fertilizantes y plaguicidas. Hemos creado plásticos y otros materiales que se usan en casi todas las facetas de nuestra vida. Desafortunadamente, algunos productos químicos también pueden dañar nuestra salud o el entorno. Nos conviene, como ciudadanos educados y consumidores, entender los profundos efectos, tanto positivos como negativos, que las sustancias químicas tienen sobre nuestra vida, y encontrar un equilibrio sobre su uso.
Clasificaciones de la materia Iniciemos nuestro estudio de la química examinando algunas formas fundamentales de clasificar y describir la materia. Dos de los principales métodos de clasificación de la materia se basan en su ESTADO FÍSICO (como gas, líquido o sólido) y en SU COMPOSICIÓN (como elemento, compuesto o mezcla).
Estados de la materia Una muestra de materia puede ser gaseosa, líquida o sólida. Estas tres formas de materia se denominan estados de la materia. Los estados de la materia difieren en algunas de sus propiedades observables. • Un gas (también llamado vapor) no tiene volumen ni forma fijos; más bien, se ajusta al volumen y la forma del recipiente que lo contiene. Podemos comprimir un gas de modo que ocupe un volumen más pequeño, o expandirlo para ocupar uno mayor. • Un líquido tiene un volumen definido independiente del recipiente pero no tiene forma específica; asume la forma de la porción del recipiente que ocupa. • Un sólido tiene forma y volumen definidos; es rígido. Ni los líquidos ni los sólidos pueden comprimirse de forma apreciable.
• En un gas, las moléculas están muy separadas y se mueven a alta velocidad, chocando repetidamente entre sí y con las paredes del recipiente. • En un líquido, las moléculas están más cercanas, pero aún se mueven rápidamente, y pueden deslizarse unas sobre otras; por ello los líquidos fluyen fácilmente. • En un sólido, las moléculas están firmemente unidas entre sí, por lo regular en patrones definidos dentro de los cuales las moléculas apenas pueden moverse un poco de esas posiciones fijas. Por ello, los sólidos tienen forma rígida.
Composición de la materia
Cada elemento contiene una sola clase de átomos. Los elementos pueden consistir en átomos individuales, como en (a), o moléculas, como en (b). Los compuestos contienen dos o más átomos distintos enlazados químicamente, como en (c). Una mezcla contiene las unidades individuales de sus componentes, que en (d) se muestran como átomos y moléculas.
Sustancias puras 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, estas clases de materia en diferentes sustancias puras. Una sustancia pura (o simplemente sustancia) es materia que tiene propiedades definidas y una composición que no varía de una muestra a otra. El agua y la sal de mesa ordinaria (cloruro de sodio), que son los principales componentes del agua de mar, son ejemplos de sustancias puras.
Elementos Los elementos no pueden descomponerse en sustancias más simples. En el nivel molecular, cada elemento se compone de un solo tipo de átomo. En la actualidad se conocen 114 elementos, los cuales varían ampliamente en su abundancia.
Elementos, en porcentaje en masa, en (a) la corteza terrestre (incluidos los ocĂŠanos y la atmĂłsfera) y (b) el cuerpo humano.
Compuestos 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. El agua pura, sea cual sea su origen, consiste en 11% de hidrógeno y 89% de oxígeno en masa. Esta composición macroscópica del agua corresponde a su composición molecular, que consta de dos átomos de hidrógeno combinados con uno de oxígeno. Las propiedades del agua no se parecen a las de sus elementos componentes. El hidrógeno, el oxígeno y el agua son sustancias distintas.
El agua se descompone en sus elementos constituyentes, hidrógeno y oxígeno, cuando se hace pasar una corriente eléctrica directa a través suyo. El volumen de hidrógeno (derecha) es el doble que el volumen de oxígeno (izquierda).
Composición porcentual o centesimal a partir de fórmulas Ocasionalmente, debemos calcular la composición porcentual de un compuesto (es decir, el porcentaje de la masa que corresponde a cada elemento de la sustancia). Por ejemplo, si queremos verificar la pureza del compuesto, podríamos querer comparar la composición calculada de una sustancia con la obtenida experimentalmente. El cálculo de la composición porcentual es sencillo si se conoce la fórmula química. Dicho cálculo depende del peso fórmula de la sustancia, el peso atómico del elemento de interés y el número de átomos de ese elemento que hay en la fórmula química:
Fórmulas moleculares y empíricas Las fórmulas químicas que indican los números y tipos de átomos que forman una molécula se denominan fórmulas moleculares. Las fórmulas que sólo indican el número relativo de átomos de cada tipo en una molécula se llaman fórmulas empíricas. Los subíndices de una fórmula empírica siempre son las proporciones enteras más pequeñas. Por ejemplo, la fórmula molecular del peróxido de hidrógeno es H2O2; su fórmula empírica es HO. La fórmula molecular del etileno es C2H4; su fórmula empírica es CH2. Para muchas sustancias, la fórmula molecular y la empírica son idénticas, como es el caso del agua, H2O. Las fórmulas moleculares proporcionan más información acerca de las moléculas que las fórmulas empíricas. Siempre que conozcamos la fórmula molecular de un compuesto podremos determinar su fórmula empírica. En cambio, lo opuesto no se cumple; si conocemos la fórmula empírica de una sustancia no podremos determinar su fórmula molecular sin poseer más información.
Determinación de Formulas Moleculares La fórmula calculada a partir de la composición porcentual en masa es siempre la formula empírica debido a que los subíndices de la formula se reducen siempre a los números enteros mas pequeños. Para calcular la formula molecular o real, debemos conocer el peso molecular aproximado del compuesto además de su formula empírica.
Mezclas Casi toda la materia que nos rodea consiste en mezclas de sustancias. Cada sustancia de una mezcla conserva su identidad química, y por tanto, sus propiedades. Mientras que las sustancias puras tienen composición fija, la composición de una mezcla puede variar. Una taza de café endulzado, por ejemplo, puede contener poca o mucha azúcar. Las sustancias que constituyen una mezcla (como azúcar y agua) se denominan componentes de la mezcla. (a) Muchos materiales comunes, como las rocas, son heterogéneos. Esta fotografía amplificada es de malaquita, un mineral de cobre. (b) Las mezclas homogéneas se llaman disoluciones. Muchas sustancias, como el sólido azul que se muestra en esta fotografía (sulfato de cobre), se disuelven en agua para formar soluciones.
Separación de mezclas Dado que cada componente de una mezcla conservan sus propiedades, podemos separar una mezcla en sus componentes aprovechando las diferencias en sus propiedades. Por ejemplo, una mezcla heterogénea de limaduras de hierro y limaduras de oro podría separarse, trocito por trocito y con base en el color, en hierro y oro. Una estrategia menos tediosa sería usar un imán para atraer las limaduras de hierro, dejando atrás las partículas de oro. También podemos aprovechar una importante diferencia química entre estos dos metales: muchos ácidos disuelven el hierro pero no el oro. Por tanto, si colocamos nuestra mezcla en un ácido apropiado, el hierro se disolverá y sólo quedará el oro. Luego podrían separarse las sustancias por filtración, procedimiento que se ilustra en la figura. Separación por filtración. Una mezcla de un sólido y un líquido se vierte a través de un medio poroso, en este caso papel filtro. El líquido atraviesa el papel, mientras que el sólido permanece en éste.
Podemos separar mezclas homogéneas en sus constituyentes de formas similares. Por ejemplo, el agua tiene un punto de ebullición mucho más bajo que la sal de mesa; ésta es más volátil. Si hervimos una disolución de sal y agua, ésta, al ser más volátil, se evaporará, y la sal quedará en el fondo del recipiente. El vapor de agua se convierte otra vez en líquido en las paredes de un condensador. Este proceso se llama destilación.
Aparato sencillo para separar una disolución de cloruro de sodio (agua salada) en sus componentes. Al hervir la disolución, el agua se evapora, y luego se condensa y recoge en el matraz receptor. Una vez que se ha evaporado toda el agua, queda cloruro de sodio puro en el matraz de ebullición.
También podemos aprovechar las diferentes capacidades de las sustancias para adherirse a las superficies de diversos sólidos como el papel y el almidón, y así separar mezclas. Éste es el fundamento de la cromatografía (literalmente, “escritura en colores”), una técnica que puede producir resultados hermosos e impactantes. En la figura se muestra un ejemplo de la separación cromatográfica de una tinta.
Separación de tinta en sus componentes mediante cromatografía en papel. (a) El agua comienza a subir por el papel. (b) El agua pasa por la mancha de tinta, disolviendo diferentes componentes de la tinta con distinta rapidez. (c) El agua ha separado la tinta en sus diversos componentes.
ESQUEMA DE CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA. EN EL NIVEL QUÍMICO, TODA LA MATERIA SE CLASIFICA EN ÚLTIMA INSTANCIA COMO ELEMENTOS O COMPUESTOS.