Fundamentos de Química: Materia, Energía y Sistemas

Definiciones Fundamentales

Química

Ciencia que estudia la estructura de la materia que constituye el universo, las transformaciones que esta experimenta y la energía involucrada en esos cambios. El abordaje de estas cuestiones implica el estudio de las propiedades de la materia, los estados de agregación y los criterios de clasificación de materiales.

Energía

Es la capacidad de realizar trabajo.

Materia

Objeto de estudio de la Química, definida como todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

Propiedades Generales de la Materia

• Extensión: Surge del hecho de que cada cuerpo ocupa un lugar en el espacio.
• Impenetrabilidad: Imposibilidad de que varios cuerpos ocupen simultáneamente un lugar en el espacio.
• Inercia: Propiedad que presentan todos los cuerpos de oponer resistencia a modificar su estado de reposo o movimiento en el que se encuentren.

Clasificación de Sustancias

Sustancia

Clase de materia que conforma un cuerpo.

Tipos de Sustancias

• Sustancia Simple: Posee moléculas formadas por átomos de un mismo elemento. Ejemplo: O₂ (Oxígeno).
• Sustancia Compuesta: Posee moléculas formadas por átomos de dos o más elementos diferentes. Se componen por dos o más sustancias simples. Ejemplo: H₂O (Agua).

Sistemas Materiales y Propiedades

Sistema Material

Es toda porción del universo que se aísla real o imaginariamente para su estudio.

Tipos de Propiedades

• Propiedades Intensivas: No dependen de la cantidad de materia considerada, por lo que son buenos indicadores para reconocer una sustancia.
• Propiedades Extensivas: Dependen de la cantidad de materia considerada (la masa varía en función de la cantidad).

Clasificación de Sistemas

• Sistema Homogéneo: Ocurre cuando las propiedades intensivas son las mismas en cualquier parte del sistema (se observa una sola fase).
• Sistema Heterogéneo: Ocurre si las propiedades intensivas no son iguales en todos los puntos (se observan dos o más fases).

Métodos de Separación de Fases

Métodos Mecánicos de Separación

Estos métodos se utilizan generalmente para separar sistemas heterogéneos.

1. Tría: Consiste en separar con pinzas o con las manos las fases sólidas de tamaño adecuado, dispersas en otros sólidos o líquidos. Ejemplo: Sacar el lápiz de la cartuchera.
2. Tamización: Se basa en colocar el sistema material (formado por dos sólidos) sobre una malla de metal o plástico. Las partículas de menor tamaño atraviesan la malla. Ejemplo: Separar la arena del canto rodado.
3. Filtración: Consiste en pasar el sistema (formado por un sólido y un líquido) a través de una pared porosa llamada «filtro», generalmente colocada en un embudo. El sólido queda retenido y el líquido traspasa el filtro. Ejemplo: Filtrar café.
4. Decantación: Separa un sólido de un líquido o dos líquidos que no se mezclan, basándose en sus diferentes pesos (densidades). La fase de mayor peso se deposita en el fondo del recipiente. Ejemplo: Separar agua del aceite.
5. Centrifugación: Se aplica a un sistema formado por un sólido y un líquido en un recipiente que se hace girar a gran velocidad. La fase sólida se deposita en el fondo. Ejemplo: Separar la ropa del agua en un lavarropas centrífugo.
6. Levigación: Separa sistemas materiales formados por dos sólidos mediante una corriente de líquido que arrastra la fase de menor peso y que no disuelve ni altera al sistema. Ejemplo: Lavar verduras.
7. Ventilación: Separa sistemas materiales formados por dos cuerpos sólidos mediante una corriente gaseosa (aire) que arrastra la fase de menor peso. Ejemplo: Soplar partículas de goma luego de borrar.
8. Flotación: Se agrega al sistema (formado por dos fases sólidas) un líquido de peso intermedio que no altera los cuerpos que lo forman. Ejemplo: Separar aserrín de la arena.
9. Imantación: Separa sistemas materiales donde una de las fases tiene propiedades magnéticas. Ejemplo: Separar partículas de hierro que acompañan a los cereales.
10. Disolución: Separa las fases utilizando la diferente solubilidad de las mismas en un disolvente adecuado. Ejemplo: Preparar té.
11. Sublimación: Calentar suavemente el sistema material. Los vapores que se desprenden se enfrían y se subliman. Ejemplo: Separar talco del naftaleno.

Métodos de Separación por Fraccionamiento (Sistemas Homogéneos)

1. Cristalización: Obtiene el soluto sólido mediante la evaporación del disolvente de una solución.
2. Destilación: Calienta un sistema material para producir la evaporación y posterior condensación de los vapores.

Propiedades que Definen una Sustancia

La materia está compuesta por distintas sustancias que integran diferentes objetos o cuerpos. Las propiedades que permiten definir una sustancia se clasifican en:

• Caracteres Organolépticos: Propiedades que percibimos con los sentidos.
• Constantes Físicas: Indican valores expresados en números.
• Composición Química: Indica qué tipo de átomos forman parte de una sustancia y en qué proporción.

Estructura y Composición de la Materia

Componentes Fundamentales

Átomos

Están formados por partículas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Los neutrones y protones de un átomo ocupan su núcleo y los electrones giran alrededor de ellos.

Moléculas

Se forman por la unión de varios átomos. Pueden poseer átomos distintos o iguales.

Estados de Agregación de la Materia

• Líquido: No posee forma propia, pero sí volumen definido.
• Sólido: Posee forma y volumen propios.
• Gaseoso: No posee forma ni volumen propios.

Propiedades y Fenómenos

Propiedades Extensivas (Reiteración)

Cambian de valor de acuerdo con la cantidad de sustancia que se considere. No permiten identificar una sustancia. Ejemplos: Masa, volumen, peso.

Fenómenos Físicos

Son aquellos en los que no se producen cambios en la naturaleza de las sustancias que intervienen.

Fenómenos Químicos

Son aquellos en los que las sustancias originales se convierten en otras nuevas.

Clasificación de Sustancias Puras (Reiteración)

• Sustancias Puras (Elementales): Están formadas por un solo tipo de átomo o molécula.
• Sustancias Compuestas: Están formadas por dos o más tipos de átomos distintos combinados químicamente.

Partículas Subatómicas

Átomo (Definición)

Unidad de partículas muy pequeñas que pueden combinarse para formar moléculas.

Componentes del Átomo

• Protones: Partículas con carga positiva.
• Electrones: Partículas con carga negativa.
• Neutrones: Partículas sin carga (neutras) en el núcleo atómico. Ayudan a mantener unidos los protones.

Molécula (Definición)

Mínima porción de la materia que conserva las propiedades de una sustancia determinada. Están formadas por átomos.

Evolución del Modelo Atómico

• Modelo de Thomson: El átomo tiene una forma esférica con carga positiva. Las cargas negativas (electrones) se distribuyen uniformemente.
• Modelo de Rutherford: El átomo tiene un núcleo central con carga positiva, alrededor del cual los electrones giran con gran velocidad. Entre el núcleo y los electrones hay un gran espacio vacío.
• Modelo de Bohr: El átomo posee un núcleo central que contiene partículas positivas. A su alrededor giran los electrones, que tienen un tamaño 1840 veces menor que el protón y se distribuyen en niveles de energía.

Conceptos Nucleares e Iones

Número Másico (A)

Es la suma de los protones y neutrones presentes en el núcleo.

Número Atómico (Z)

Es el número de protones que tiene un átomo en su núcleo y es igual al número de electrones que giran en órbitas alrededor del mismo (en un átomo neutro).

Iones

Son átomos o grupos de átomos que poseen carga eléctrica neta porque han ganado o perdido electrones.

Tipos de Iones

• Catión: Posee carga positiva neta (por pérdida de electrones).
• Anión: Posee carga negativa neta (por ganancia de electrones).