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Conceptos básicos de química

Contenido del artículo
La materia
Transformaciones de la materia
Cambios físicos
Cambios químicos



La química es una de las principales ramas de la ciencia y se puede considerar una ciencia central ya que explica como se conectan los principios físicos simples a los procesos mas complejos, como pueden ser los biológicos.

La química se puede definir como el estudio de la materia y las transformaciones que esta experimenta. Para poder interpretar adecuadamente la definición de química resulta necesario definir primero qué es materia y qué es transformación desde el punto de vista de los químicos.

La materia

La materia puede ser definida simplificadamente como cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa. Algunas manifestaciones de la materia son fácilmente detectables por la persona, por ejemplo la mesa donde usted come, la que puede sentir y ver. Pero otras son menos perceptibles, pero que también existen y ocupan espacio, como el aire que se respira (que ocupa el espacio de la habitación donde usted está), y además pesa (un cilindro lleno de aire en el vacío pesa más que el cilindro sin aire). La definición de la materia como "una cosa" es suficiente para la mayoría de las situaciones comunes, aunque en un plano más estricto en ciertas circunstancias la definición debe ser mas compleja y detallada para adecuarse a las exigencias de la situación.

En química la materia se puede dividir en dos grandes grupos: sustancias puras y mezclas. En las sustancias puras solo existe un tipo particular de materia, mientras que en las mezclas dos o más sustancias puras están entremezcladas unas con otras. La sal de mesa (cloruro de sodio), o el agua, o el azúcar (sacarosa) son sustancias puras, pero si usted pone sal y azúcar en un recipiente y lo sacude se produce una mezcla. También se produce una mezcla cuando se disuelve el azúcar en el agua. Otros objetos que pueden parecer a simple inspección como sustancias puras no lo son, por ejemplo la mayor parte de las rocas, las que están constituidas por mezclas de diferentes minerales, los que a su vez están formados por mezclas de diferentes sustancias puras.

Además, los químicos subdividen las mezclas en dos tipos: las homogéneas y las heterogéneas. Una mezcla es homogénea cuando la composición de esta es la misma a lo largo de todo su cuerpo, como por ejemplo cuando se agrega sal de mesa al agua. Una vez que esta mezcla se ha removido suficientemente la composición será la misma con independencia del lugar de donde se tome la muestra. Otro nombre utilizado para las mezclas homogéneas es el de solución, de modo que la mezcla de agua y sal una vez agitada es un solución. Los gases también forman soluciones, como el aire que respiramos, que es un mezcla de gases donde el nitrógeno es mayoritario pero que también tiene oxígeno y otros gases. Esta mezcla puede considerarse homogénea (y por tanto una solución) ya que en condiciones normales la composición del aire será la misma no importa el lugar de la habitación donde se tome la muestra.

Un caso típico de mezclas heterogéneas son la mayor parte de las rocas, observe el trozo de granito de la figura 1, verá que la composición de la roca no es la misma a lo largo de su cuerpo, en este caso, cada posible sustancia pura se puede diferenciar, incluso a simple vista, en diferentes zonas de la piedra.

En algunas ocasiones una mezcla heterogénea puede parecer homogénea, por ejemplo, si se muelen a polvo muy fino la sal de mesa y el azúcar, y se mezclan profusamente, a simple vista puede parecer una mezcla homogénea, sin embargo, cuando se toman muestras muy pequeñas (a nivel del tamaño de los granos mezclados) el resultado de los análisis puede resultar en distintas composiciones de acuerdo al lugar de donde se tomó la muestra, demostrando la presencia de una mezcla heterogénea. Si se tratara de una mezcla homogénea, como el azúcar disuelto en el agua, la composición será siempre la misma no importa cuan pequeñas sean las muestras tomadas en diferentes zonas.

La frontera entre mezclas homogéneas y heterogéneas no está claramente definida en todas las situaciones, por ejemplo si se toma la muestra a nivel atómico o molecular, nunca será posible lograr una mezcla homogénea de acuerdo a lo que hemos definido como tal, también cuando se hacen análisis muy precisos de muestras tomadas de una mezcla homogénea se pueden obtener pequeñas diferencias en cuanto a la composición entre unas y otras debido a cuestiones físicas muy particulares. Pero estos aspectos "muy detallistas" de las mezclas por lo general son de mas interés filosófico que práctico para los químicos.

Un caso particular digno de mencionar por sus características y cercanía a nuestras vidas es la leche. La leche, si la miramos a "puro ojo", nos puede parecer una mezcla homogénea, y hasta incluso un sustancia pura, no obstante, al mirarla al microscopio se pueden ver claramente unos corpúsculos de grasa en suspensión en el material líquido ¿es entonces una mezcla homogénea o heterogénea?. El observador "desarmado" diría erróneamente que es una mezcla homogénea, pero para el observador "artillado" con un microscopio está muy claro que es una mezcla heterogénea.

No podemos abandonar nuestra simple definición de materia desde el punto de vista químico sin decir algo con respecto a las cosas de que está hecha. Todas las cosas que existen en neutro planeta, desde el aire hasta la forma mas compleja de vida está formada por los llamados elementos los que constituyen los "ladrillos" básicos de su edificación. Hasta hoy se conocen 113 elementos, 90 que ocurren naturalmente, y los 23 restantes han sido preparados sintéticamente por el hombre.

Todos los elementos conocidos han sido organizados de forma tabular en la llamada tabla periódica, de importancia vital en la química y a la que se han dedicado más de un artículo en el portal.

Muchos elementos tienen nombres que pueden resultarle familiares: hierro, aluminio, carbono, cobre, uranio, oro, plata, oxígeno por mencionar algunos.

Cuando decimos que los elementos son las bases sobre las que se soportan todas las formas de materia. ¿Cuán básicos realmente son?

Supongamos que tomamos un trozo de cobre puro y lo dividimos a la mitad, de la acción obtenemos dos pedazos de cobre mas pequeños. Tomamos una de las mitades y la volvemos a dividir en dos partes iguales, el resultado es de nuevo dos cuerpos menos voluminosos. A continuación repetimos el proceso de división una y otra vez obteniendo piezas cada vez mas y mas pequeñas. ¿Cuantas veces se podrá hacer la división de la pieza original manteniendo su naturaleza de cobre elemental? Esta pregunta se la hicieron los hombres de ciencia desde tiempos remotos y la respuesta fue diversa. Demócrates sugirió sobre el año 400 aC que la división tenía un límite y que la materia finalmente estaba constituida por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles que llamó átomos, de modo que la pieza de cobre solo se podía dividir hasta alcanzar la dimensión de un átomo simple del elemento. Alrededor de la misma época, otro filósofo, Aristóteles propuso una teoría diferente, esto es, que la pieza de cobre podía dividirse infinitamente en secciones mas pequeñas ya que la materia era continua y nunca se alcanzaba un estado indivisible.

roca
Figura 1. Trozo de granito




Para la época en cuestión el trozo de cobre aparentaba no estar constituido de partículas, se "sentía" como una pieza continua de modo que la teoría de Aristóteles se impuso y reinó por mas de 2000 años. Con el paso del tiempo los científicos eventualmente volvieron a la teoría atómica, dándole la razón a Demócrates y ahora sabemos que todos los elementos existen como átomos, y un átomo es la pieza mas pequeña posible de un elemento. Los átomos son tan diminutos, que aunque aceptados por la comunidad científica, solo se hablaba de ellos pero nunca nadie los había podido ver en realidad hasta años bastantes recientes.

Sabiendo que la materia está formada por átomos podemos hacer ahora una nueva clasificación y podemos dividir las sustancias puras en dos tipos: sustancias elementales y compuestos. Una sustancia elemental es aquella que está constituida por átomos de un solo elemento, por ejemplo, el trozo de cobre que usamos como ejemplo, o un trozo de hierro, o el oxígeno del aire. Por otro lado un compuesto es una sustancia formada por átomos de dos o mas elementos diferentes, por ejemplo, el agua que tiene átomos de oxígeno e hidrógeno en su composición.

Para caracterizar a los compuestos se utiliza la fórmula química, la que indica el número de átomos de cada elemento presentes para formar la pieza mas pequeña posible del compuesto y que comúnmente se llama molécula del compuesto. La fórmula química del agua H2O nos dice que la pieza mas pequeña posible de agua (una molécula) tiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno y además, que como hay presentes átomos de dos elementos diferentes, el agua, de hecho, es un compuesto.

Los gases en estado natural son casos diferentes. El oxígeno que respiramos tiene como fórmula química O2 lo que nos dice que este gas que sostiene la vida tiene dos átomos en la pieza mas pequeña posible en estado natural. Pero aunque tiene dos átomos, ambos son iguales, de modo que el oxígeno no puede considerarse un compuesto y es una sustancia elemental. Para resumir:

resumen



Transformaciones de la materia

Habíamos definido arriba que química era el estudio de la materia y las transformaciones que esta experimenta, y como transformación implica "cambio" se puede decir también que la química es el estudio de la materia y sus cambios. Nuestra definición de la materia ha quedado clara arriba, ahora necesitamos definir cuales son los cambios que la materia puede sufrir.

Hay dos grandes tipos de cambios desde el punto de vista de la química que la materia puede experimentar: cambios físicos y cambios químicos.

Cambios físicos


En una transformación física una sustancia pura se mantiene como la misma sustancia y solo cambia su estado físico. Esto implica un nuevo concepto: estado de la materia. Usted está familiarizado con los tres estados comunes de la materia: sólido, líquido y gaseoso (o vapor). Si se coloca un vaso de agua en el congelador, el agua cambia al estado sólido (hielo) en un proceso llamado solidificación y este es un ejemplo de un cambio de estado físico sin que cambie la naturaleza de la sustancia, después del cambio la sustancia sigue siendo agua. El caso contrario, la fusión, produce el regreso al estado líquido si el hielo se calienta. Estos cambios físicos, solidificación y fusión, se producen cuando se alcanza una misma temperatura (0°C) lo mismo enfriando el agua que calentado el hielo. El valor de la temperatura en la que se producen los cambios (solidificación o fusión de acuerdo a la vía que usted siga) se conoce como punto de fusión o de solidificación.

Del mismo modo, al calentar el agua hasta el punto de ebullición (100°C a presión normal) el agua hierve y experimenta la evaporación un cambio del estado líquido al de gas. El proceso reverso a la evaporación se llama condensación y en el cual el agua regresa del estado gaseoso al líquido. En ambos estados el agua se mantiene como tal de modo que es solo un cambio físico.

Otro cambio físico importante que sufren las sustancias es la sublimación la que ocurre cuando una sustancia pasa directamente del estado sólido al de gas sin pasar por el estado líquido. Usted puede experimentar un caso de sublimación en su propio hogar, solo necesita poner a congelar agua en una hielera y abandonarla por un tiempo largo dentro del congelador, notará que los cubos de hielo originales serán cada vez mas pequeños sin licuarse. El hielo se sublima.

Otro grupo de características que tienen las sustancias puras incluyen el color, el olor y el sabor, las que junto a los puntos de fusión y evaporación están entre su propiedades físicas.

Cambios químicos

Una sustancia pura se dice que experimenta un cambio químico si después del cambio resulta en una sustancia o sustancias distintas. Por ejemplo, si se mezclan hidrógeno y oxígeno (sustancias puras) en las cantidades adecuadas en un recipiente y se suministra una chispa, se produce una sustancia completamente diferente a los ingredientes originales (agua) y el oxígeno e hidrógeno desaparecen. El hidrógeno y el oxígeno han experimentado una transformación química.

Las propiedades químicas de una sustancia son un grupo de propiedades que solo se pueden describir en relación con los cambios químicos que sufre, por ejemplo la inflamabilidad es una propiedad química ya que durante la combustión produce una o mas sustancias completamente diferentes después de la combustión. Al igual la reactividad química es una característica que describe la habilidad de una sustancia pura a desarrollar cambios químicos al entrar en contacto con otra sustancia pura, por ejemplo, el helio es una sustancia pura muy pasiva ya que no se combina químicamente con otras sustancias al entrar en contacto con ellas, por su parte, el cloro (Cl2) es muy reactivo y reacciona con fuerza con otras muchas sustancias para formar nuevos compuestos. En las transformaciones químicas las sustancias resultantes tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes a los sustancias originales antes de la transformación.

Las sustancias de inicio se conocen como reaccionantes y las nuevas sustancias producidas como productos. El proceso que se desarrolla cuando los reaccionantes dan lugar a los productos se conoce como reacción química. (Mas sobre reacciones químicas aquí).

Los químicos escriben las reacciones químicas usando un método de símbolos, en este método, las sustancias reaccionantes se colocan a la izquierda de una flecha horizontal, y los productos a la derecha de la flecha como se muestra a continuación para la reacción entre el cloro (Cl2) y el sodio (Na).

2Na
+
Cl2
=====>
2NaCl
Reacionantes             
Producto

En ocasiones los químicos incluyen en la representación de la reacción química el estado físico de los productos involucrados usando (g) para gas, (l) para líquido y (s) para sólido, de esta forma la reacción química anterior se puede escribir:
 
2Na (s)
+
Cl2 (g)
=====>
2NaCl (s)


Temas relacionados:
El átomo.
Estructura de la materia.

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