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Química

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Imágenes relacionadas con las seis ramas principales de la química , en el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda [ a ] : una red de vidrio BeF₂ ( química inorgánica ), una molécula de cafeína ( química orgánica ), un diagrama de coordenadas de reacción ( química física ), un espectro de RMN de protón ( química analítica ), la proteína RGS4 ( bioquímica ) y una barra luminosa que utiliza quimioluminiscencia ( química aplicada ).

La química es el estudio científico de las propiedades y el comportamiento de la materia . [ 1 ] [ 2 ] Es una ciencia física dentro de las ciencias naturales que estudia la materia: composición, estructura, propiedades, comportamiento y los cambios que experimentan durante las reacciones con otras sustancias . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] La química también aborda la naturaleza de los enlaces químicos en los compuestos químicos .

En el ámbito de su disciplina, la química ocupa una posición intermedia entre la física y la biología . [ 7 ] A veces se la denomina la ciencia central porque proporciona una base para comprender las disciplinas científicas, tanto básicas como aplicadas , a un nivel fundamental. [ 8 ] Por ejemplo, la química explica aspectos del crecimiento de las plantas ( botánica ), la formación de rocas ígneas ( geología ), cómo se forma el ozono atmosférico y cómo se degradan los contaminantes ambientales ( ecología ), las propiedades del suelo lunar ( cosmoquímica ), cómo funcionan los medicamentos ( farmacología ) y cómo recolectar evidencia de ADN en la escena de un crimen ( ciencia forense ). [ 9 ]

La química ha existido bajo diversos nombres desde la antigüedad. [ 10 ] Ha evolucionado y ahora abarca diversas áreas de especialización, o subdisciplinas, que siguen aumentando en número y se interrelacionan para crear nuevos campos de estudio interdisciplinarios. Las aplicaciones de diversos campos de la química se utilizan con frecuencia con fines económicos en la industria química . [ 11 ]

Etimología

La palabra química proviene de una modificación, durante el Renacimiento , del término alquimia , que hacía referencia a un conjunto de prácticas anteriores que abarcaban elementos de química, metalurgia , filosofía , astrología , astronomía , misticismo y medicina . La alquimia se asocia a menudo con la búsqueda de transformar el plomo u otros metales comunes en oro, aunque los alquimistas también estaban interesados ​​en muchas de las cuestiones de la química moderna. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

La palabra moderna alquimia, a su vez, deriva de la palabra árabe al-kīmīā ( الكیمیاء ). Esto podría tener orígenes egipcios, ya que al-kīmīā deriva del griego antiguo χημία , que a su vez deriva de la palabra Kemet , el antiguo nombre de Egipto en lengua egipcia. [ 15 ] Alternativamente, al-kīmīā podría derivar de χημεία , que significa «fundir junto». [ 16 ]

Principios modernos

Laboratorio , Instituto de Bioquímica, Universidad de Colonia en Alemania

El modelo actual de estructura atómica es el modelo mecánico cuántico . [ 17 ] La química tradicional comienza con el estudio de partículas elementales , átomos , moléculas , [ 18 ] sustancias , metales , cristales y otros agregados de materia . La materia puede estudiarse en estados sólido, líquido, gaseoso y de plasma , de forma aislada o combinada. Las interacciones, reacciones y transformaciones que se estudian en química suelen ser el resultado de interacciones entre átomos, lo que lleva a reordenamientos de los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos. Estos comportamientos se estudian en un laboratorio de química .

El laboratorio de química suele utilizar diversos tipos de material de vidrio . Sin embargo, el material de vidrio no es fundamental para la química, y gran parte de la química experimental (así como la aplicada/industrial) se realiza sin él.

Soluciones de sustancias en frascos de reactivos, incluyendo hidróxido de amonio y ácido nítrico , iluminadas en diferentes colores.

Una reacción química es la transformación de algunas sustancias en una o más sustancias diferentes. [ 19 ] La base de dicha transformación química es la reorganización de los electrones en los enlaces químicos entre los átomos. Puede representarse simbólicamente mediante una ecuación química , que generalmente involucra átomos como sujetos. El número de átomos a la izquierda y a la derecha en la ecuación de una transformación química es igual. (Cuando el número de átomos a cada lado es desigual, la transformación se denomina reacción nuclear o desintegración radiactiva ). El tipo de reacciones químicas que puede experimentar una sustancia y los cambios de energía que pueden acompañarlas están limitados por ciertas reglas básicas, conocidas como leyes químicas .

Las consideraciones de energía y entropía son invariablemente importantes en casi todos los estudios químicos. Las sustancias químicas se clasifican en términos de su estructura , fase y composición química . Se pueden analizar utilizando herramientas de análisis químico , por ejemplo, espectroscopia y cromatografía . Los científicos que se dedican a la investigación química se conocen como químicos . [ 20 ] La mayoría de los químicos se especializan en una o más subdisciplinas. Varios conceptos son esenciales para el estudio de la química; algunos de ellos son: [ 21 ]

Asunto

En química, la materia se define como todo aquello que posee masa en reposo y volumen (ocupa espacio) y está compuesto de partículas . Las partículas que componen la materia también tienen masa en reposo; no todas las partículas la tienen, como el fotón . La materia puede ser una sustancia química pura o una mezcla de sustancias. [ 22 ]

Átomo

Diagrama de un átomo basado en el modelo de Rutherford.

El átomo es la unidad básica de la química. Consiste en un núcleo denso llamado núcleo atómico, rodeado por un espacio ocupado por una nube electrónica . El núcleo está formado por protones con carga positiva y neutrones sin carga (denominados conjuntamente nucleones ), mientras que la nube electrónica está formada por electrones con carga negativa que orbitan alrededor del núcleo. En un átomo neutro, los electrones con carga negativa compensan la carga positiva de los protones. El núcleo es denso; la masa de un nucleón es aproximadamente 1836 veces mayor que la de un electrón, pero el radio de un átomo es aproximadamente 10 000 veces mayor que el de su núcleo. [ 23 ] [ 24 ]

El átomo es también la entidad más pequeña que se puede concebir que conserve las propiedades químicas del elemento, como la electronegatividad , el potencial de ionización , el estado de oxidación preferido , el número de coordinación y los tipos de enlaces preferidos para formar (por ejemplo, metálicos , iónicos , covalentes ).

Elemento

Formato estándar de la tabla periódica de los elementos químicos. Los colores representan los diferentes bloques de elementos.

Un elemento químico es una sustancia pura compuesta por un solo tipo de átomo, caracterizado por el número particular de protones en el núcleo de sus átomos, conocido como número atómico y representado por el símbolo Z. El número másico es la suma del número de protones y neutrones en un núcleo. Si bien todos los núcleos de todos los átomos pertenecientes a un elemento tendrán el mismo número atómico, no necesariamente tendrán el mismo número másico; los átomos de un elemento que tienen números másicos diferentes se conocen como isótopos . Por ejemplo, todos los átomos con 6 protones en sus núcleos son átomos del elemento químico carbono , pero los átomos de carbono pueden tener números másicos de 12 o 13. [ 24 ]

La presentación estándar de los elementos químicos se encuentra en la tabla periódica , que los ordena por número atómico. La tabla periódica está organizada en grupos , o columnas, y periodos , o filas. La tabla periódica es útil para identificar tendencias periódicas . [ 25 ]

Compuesto

El dióxido de carbono (CO₂ ) , un ejemplo de compuesto químico.

Un compuesto es una sustancia química pura compuesta por más de un elemento. Las propiedades de un compuesto tienen poca similitud con las de sus elementos. [ 26 ] La nomenclatura estándar de compuestos la establece la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Los compuestos orgánicos se nombran según el sistema de nomenclatura orgánica . [ 27 ] Los nombres de los compuestos inorgánicos se crean según el sistema de nomenclatura inorgánica . Cuando un compuesto tiene más de un componente, se dividen en dos clases: los componentes electropositivos y los electronegativos. [ 28 ] Además, el Chemical Abstracts Service (CAS) ha ideado un método para indexar sustancias químicas. En este esquema, cada sustancia química se identifica mediante un número conocido como su número de registro CAS .

Molécula

Representación de la molécula de cafeína (C 8 H 10 N 4 O 2 ) mediante un modelo de esferas y varillas.

Una molécula es la porción más pequeña e indivisible de una sustancia química pura que posee un conjunto único de propiedades químicas, es decir, su potencial para experimentar un conjunto determinado de reacciones químicas con otras sustancias. Sin embargo, esta definición solo es válida para sustancias compuestas de moléculas, lo cual no se cumple para muchas sustancias (véase más adelante). Las moléculas suelen ser un conjunto de átomos unidos por enlaces covalentes , de modo que la estructura es eléctricamente neutra y todos los electrones de valencia están emparejados con otros electrones, ya sea en enlaces o en pares solitarios .

Así, las moléculas existen como unidades eléctricamente neutras, a diferencia de los iones. Cuando se rompe esta regla, dándole a la "molécula" una carga, el resultado a veces se denomina ion molecular o ion poliatómico. Sin embargo, la naturaleza discreta y separada del concepto molecular generalmente requiere que los iones moleculares estén presentes solo en forma bien separada, como un haz dirigido en el vacío en un espectrómetro de masas . Los conjuntos poliatómicos cargados que residen en sólidos (por ejemplo, los iones sulfato o nitrato comunes ) generalmente no se consideran "moléculas" en química. Algunas moléculas contienen uno o más electrones desapareados, creando radicales . La mayoría de los radicales son relativamente reactivos, pero algunos, como el óxido nítrico (NO), pueden ser estables.

Fórmula estructural bidimensional de una molécula de benceno (C 6 H 6 )

Los elementos inertes o gases nobles ( helio , neón , argón , criptón , xenón y radón ) están compuestos por átomos aislados como su unidad discreta más pequeña, mientras que los demás elementos químicos aislados consisten en moléculas o redes de átomos unidos entre sí de alguna manera. Sustancias comunes como el agua, el aire y muchos compuestos orgánicos como el alcohol, el azúcar, la gasolina y diversos fármacos están compuestos por moléculas identificables .

Sin embargo, no todas las sustancias o compuestos químicos constan de moléculas discretas, y de hecho, la mayoría de las sustancias sólidas que componen la corteza, el manto y el núcleo de la Tierra son compuestos químicos sin moléculas. Estos otros tipos de sustancias, como los compuestos iónicos y los sólidos reticulares , se organizan de tal manera que carecen de moléculas identificables propiamente dichas . En cambio, estas sustancias se describen en términos de unidades de fórmula o celdas unitarias como la estructura repetitiva más pequeña dentro de la sustancia. Ejemplos de estas sustancias son las sales minerales (como la sal de mesa ), sólidos como el carbono y el diamante, metales y minerales comunes como la sílice y los silicatos , como el cuarzo y el granito.

Una de las características principales de una molécula es su geometría, a menudo denominada estructura . Si bien la estructura de las moléculas diatómicas , triatómicas o tetraatómicas puede ser trivial ( lineal , piramidal angular, etc.), la estructura de las moléculas poliatómicas, constituidas por más de seis átomos (de varios elementos), puede ser crucial para su naturaleza química.

Sustancia y mezcla

Una sustancia química es un tipo de materia con una composición definida y un conjunto de propiedades . [ 29 ] Una colección de sustancias se llama mezcla. Ejemplos de mezclas son el aire y las aleaciones . [ 30 ]

Moles y cantidad de sustancia

El mol es una unidad de medida que denota una cantidad de sustancia (también llamada cantidad química). Un mol se define como la cantidad exacta de una sustancia química.6,022 140 76 × 10 23 partículas (átomos, moléculas, iones o electrones), donde el número de partículas por mol se conoce como la constante de Avogadro . [ 31 ] La concentración molar es la cantidad de una sustancia particular por volumen de solución , y se suele expresar en mol/ dm 3 . [ 32 ]

Fase

Diagrama que muestra las relaciones entre las fases y los términos utilizados para describir los cambios de fase.

Además de las propiedades químicas específicas que distinguen las diferentes clasificaciones químicas, las sustancias químicas pueden existir en varias fases. En general, las clasificaciones químicas son independientes de estas clasificaciones de fases macroscópicas; sin embargo, algunas fases más exóticas son incompatibles con ciertas propiedades químicas. Una fase es un conjunto de estados de un sistema químico que tienen propiedades estructurales macroscópicas similares, en un rango de condiciones, como presión o temperatura .

Las propiedades físicas, como la densidad y el índice de refracción, tienden a encontrarse dentro de los valores característicos de la fase. La fase de la materia se define por la transición de fase , que ocurre cuando la energía introducida o extraída del sistema se utiliza para reorganizar su estructura, en lugar de modificar sus condiciones macroscópicas.

En ocasiones, la distinción entre fases puede ser continua en lugar de tener un límite discreto; en este caso, se considera que la materia se encuentra en un estado supercrítico . Cuando tres estados coinciden según ciertas condiciones, se denomina punto triple , y dado que este punto es invariante, constituye una forma conveniente de definir un conjunto de condiciones.

Los ejemplos más conocidos de fases son los sólidos , los líquidos y los gases . Muchas sustancias presentan múltiples fases sólidas. Por ejemplo, el hierro sólido tiene tres fases (alfa, gamma y delta) que varían según la temperatura y la presión. Una diferencia fundamental entre las fases sólidas es la estructura cristalina , o disposición, de los átomos. Otra fase que se encuentra comúnmente en el estudio de la química es la fase acuosa , que es el estado de las sustancias disueltas en agua .

Entre las fases menos conocidas se incluyen los plasmas , los condensados ​​de Bose-Einstein y los condensados ​​fermiónicos , así como las fases paramagnética y ferromagnética de los materiales magnéticos . Si bien la mayoría de las fases conocidas se refieren a sistemas tridimensionales, también es posible definir análogos en sistemas bidimensionales, lo cual ha recibido atención por su relevancia para los sistemas biológicos .

Unión

Animación del proceso de enlace iónico entre sodio (Na) y cloro (Cl) para formar cloruro de sodio , o sal común. El enlace iónico implica que un átomo toma electrones de valencia de otro (a diferencia del enlace covalente, donde se comparten).

Se dice que los átomos que se unen en moléculas o cristales están enlazados entre sí. Un enlace químico puede visualizarse como el equilibrio multipolar entre las cargas positivas en los núcleos y las cargas negativas que oscilan a su alrededor. [ 33 ] Más allá de la simple atracción y repulsión, las energías y distribuciones caracterizan la disponibilidad de un electrón para enlazarse con otro átomo.

El enlace químico puede ser covalente , iónico , de hidrógeno o simplemente debido a la fuerza de Van der Waals . Cada uno de estos tipos de enlaces se asocia a un potencial. Estos potenciales crean las interacciones que mantienen unidos a los átomos en moléculas o cristales . En muchos compuestos simples, la teoría del enlace de valencia , el modelo de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia ( VSEPR ) y el concepto de número de oxidación pueden utilizarse para explicar la estructura y composición molecular.

Se forma un enlace iónico cuando un metal pierde uno o más electrones, convirtiéndose en un catión con carga positiva, y un átomo no metálico gana esos electrones, convirtiéndose en un anión con carga negativa. Los dos iones con cargas opuestas se atraen entre sí, y el enlace iónico es la fuerza de atracción electrostática entre ellos. Por ejemplo, el sodio (Na), un metal, pierde un electrón para convertirse en un catión Na +, mientras que el cloro (Cl), un no metal, gana este electrón para convertirse en Cl− . Los iones se mantienen unidos debido a la atracción electrostática, y se forma el compuesto cloruro de sodio (NaCl), o sal común de mesa.

En la molécula de metano ( CH₄ ), el átomo de carbono comparte un par de electrones de valencia con cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno. Por lo tanto, se cumple la regla del octeto para el átomo de carbono (tiene ocho electrones en su capa de valencia) y la regla del dueto para los átomos de hidrógeno (tienen dos electrones en sus capas de valencia).

En un enlace covalente, dos átomos comparten uno o más pares de electrones de valencia : el grupo resultante de átomos unidos, eléctricamente neutro, se denomina molécula . Los átomos comparten electrones de valencia de tal manera que cada uno tiene una configuración electrónica de gas noble (ocho electrones en su capa más externa). Se dice que los átomos que tienden a combinarse de forma que cada uno tenga ocho electrones en su capa de valencia siguen la regla del octeto . Sin embargo, algunos elementos como el hidrógeno y el litio solo necesitan dos electrones en su capa más externa para alcanzar esta configuración estable; se dice que estos átomos siguen la regla del dueto , y de esta forma alcanzan la configuración electrónica del gas noble helio , que tiene dos electrones en su capa externa.

De forma similar, las teorías de la física clásica pueden utilizarse para predecir muchas estructuras iónicas. En el caso de compuestos más complejos, como los complejos metálicos , la teoría del enlace de valencia es menos aplicable y, por lo general, se emplean enfoques alternativos, como la teoría de los orbitales moleculares .

Energía

En química, la energía es un atributo de una sustancia que resulta de su estructura atómica , molecular o agregada . Dado que una transformación química implica un cambio en una o más de estas estructuras, invariablemente conlleva un aumento o una disminución de la energía de las sustancias involucradas. Parte de la energía se transfiere entre el entorno y los reactivos en forma de calor o luz ; por lo tanto, los productos de una reacción pueden tener más o menos energía que los reactivos.

Se dice que una reacción es exergónica si el estado final tiene una energía menor que el estado inicial; en el caso de las reacciones endergónicas, ocurre lo contrario. Se dice que una reacción es exotérmica si libera calor al entorno; en el caso de las reacciones endotérmicas , la reacción absorbe calor del entorno.

Las reacciones químicas no son posibles a menos que los reactivos superen una barrera de energía conocida como energía de activación . La velocidad de una reacción química (a una temperatura T dada) está relacionada con la energía de activación E mediante el factor de población de Boltzmann.mi−mi/kT{\displaystyle e^{-E/kT}}— es decir, la probabilidad de que una molécula tenga una energía mayor o igual a E a una temperatura T dada. Esta dependencia exponencial de la velocidad de reacción con respecto a la temperatura se conoce como la ecuación de Arrhenius . La energía de activación necesaria para que ocurra una reacción química puede ser en forma de calor, luz, electricidad o fuerza mecánica en forma de ultrasonido . [ 34 ]

Un concepto relacionado, la energía libre , que también incorpora consideraciones de entropía, es un medio muy útil para predecir la viabilidad de una reacción y determinar el estado de equilibrio de una reacción química, en termodinámica química . Una reacción es viable solo si el cambio total en la energía libre de Gibbs es negativo.ΔGRAMO≤0{\displaystyle \Delta G\leq 0\,}; si es igual a cero, se dice que la reacción química está en equilibrio .

Solo existen estados de energía posibles para electrones, átomos y moléculas. Estos están determinados por las leyes de la mecánica cuántica , que requieren la cuantización de la energía de un sistema ligado. Se dice que los átomos o moléculas en un estado de energía superior están excitados. Las moléculas o átomos de una sustancia en un estado de energía excitado suelen ser mucho más reactivos; es decir, más propensos a las reacciones químicas.

La fase de una sustancia está invariablemente determinada por su energía y la energía de su entorno. Cuando las fuerzas intermoleculares de una sustancia son tales que la energía del entorno no es suficiente para superarlas, ocurre en una fase más ordenada como líquida o sólida, como es el caso del agua (H₂O ) ; un líquido a temperatura ambiente porque sus moléculas están unidas por enlaces de hidrógeno . [ 35 ] Mientras que el sulfuro de hidrógeno (H₂S ) es un gas a temperatura ambiente y presión estándar, ya que sus moléculas están unidas por interacciones dipolo-dipolo más débiles .

La transferencia de energía de una sustancia química a otra depende del tamaño de los cuantos de energía emitidos por una sustancia. Sin embargo, la energía térmica suele transferirse con mayor facilidad entre casi cualquier sustancia, ya que los fonones responsables de los niveles de energía vibracional y rotacional en una sustancia poseen mucha menos energía que los fotones involucrados en la transferencia de energía electrónica. Por lo tanto, debido a que los niveles de energía vibracional y rotacional están más próximos entre sí que los niveles de energía electrónica, el calor se transfiere con mayor facilidad entre sustancias en comparación con la luz u otras formas de energía electrónica. Por ejemplo, la radiación electromagnética ultravioleta no se transfiere con la misma eficacia de una sustancia a otra que la energía térmica o eléctrica.

La existencia de niveles de energía característicos para diferentes sustancias químicas resulta útil para su identificación mediante el análisis de líneas espectrales . En espectroscopia química se utilizan con frecuencia distintos tipos de espectros , como IR , microondas , RMN , RPE , etc. La espectroscopia también se emplea para identificar la composición de objetos distantes, como estrellas y galaxias lejanas, mediante el análisis de sus espectros de radiación.

Espectro de emisión del hierro

El término energía química se utiliza a menudo para indicar el potencial de una sustancia química para sufrir una transformación mediante una reacción química o para transformar otras sustancias químicas.

Reacción

Durante las reacciones químicas, los enlaces entre los átomos se rompen y se forman, dando lugar a diferentes sustancias con propiedades distintas. En un alto horno, el óxido de hierro, un compuesto , reacciona con el monóxido de carbono para formar hierro, uno de los elementos químicos , y dióxido de carbono.

Cuando una sustancia química se transforma como resultado de su interacción con otra sustancia o con energía, se dice que ha ocurrido una reacción química. Por lo tanto, una reacción química es un concepto relacionado con la "reacción" de una sustancia cuando entra en contacto directo con otra, ya sea como una mezcla o una solución ; al exponerse a alguna forma de energía, o ambas. Esto da lugar a un intercambio de energía entre los componentes de la reacción, así como con el entorno del sistema, que puede estar formado por recipientes diseñados para tal fin, a menudo material de vidrio de laboratorio .

Las reacciones químicas pueden dar lugar a la formación o disociación de moléculas, es decir, que las moléculas se separen para formar dos o más moléculas, o a la reorganización de átomos dentro o entre moléculas. Generalmente, las reacciones químicas implican la formación o ruptura de enlaces químicos. La oxidación, la reducción , la disociación, la neutralización ácido-base y la reorganización molecular son algunos ejemplos de reacciones químicas comunes.

Una reacción química puede representarse simbólicamente mediante una ecuación química . Mientras que en una reacción química no nuclear el número y el tipo de átomos en ambos lados de la ecuación son iguales, en una reacción nuclear esto solo se cumple para las partículas nucleares, es decir, protones y neutrones. [ 36 ]

La secuencia de pasos en la que se produce la reorganización de los enlaces químicos durante una reacción química se denomina mecanismo . Una reacción química puede concebirse como una serie de pasos, cada uno con una velocidad diferente. Por lo tanto, se pueden prever numerosos intermedios de reacción con estabilidad variable durante el transcurso de una reacción. Los mecanismos de reacción se proponen para explicar la cinética y la mezcla relativa de productos de una reacción. Muchos químicos físicos se especializan en explorar y proponer los mecanismos de diversas reacciones químicas. Varias reglas empíricas, como las reglas de Woodward-Hoffmann, suelen ser útiles al proponer un mecanismo para una reacción química.

Según el libro de oro de la IUPAC , una reacción química es "un proceso que resulta en la interconversión de especies químicas". [ 37 ] Por consiguiente, una reacción química puede ser una reacción elemental o una reacción por etapas . Cabe añadir que esta definición incluye los casos en los que la interconversión de conformeros es observable experimentalmente. Estas reacciones químicas detectables normalmente involucran conjuntos de entidades moleculares, como indica esta definición, pero a menudo resulta conveniente conceptualmente utilizar el término también para cambios que involucran entidades moleculares individuales (es decir, "eventos químicos microscópicos").

Iones y sales

Estructura cristalina del cloruro de potasio (KCl), una sal que se forma por la atracción entre cationes K + y aniones Cl− . La carga total del compuesto iónico es cero.

Un ion es una especie cargada, un átomo o una molécula, que ha perdido o ganado uno o más electrones. Cuando un átomo pierde un electrón y, por lo tanto, tiene más protones que electrones, se convierte en un ion con carga positiva o catión . Cuando un átomo gana un electrón y, por lo tanto, tiene más electrones que protones, se convierte en un ion con carga negativa o anión . Los cationes y aniones pueden formar una red cristalina de sales neutras , como los iones Na⁺ y Cl⁻ que forman el cloruro de sodio , o NaCl. Ejemplos de iones poliatómicos que no se disocian durante las reacciones ácido-base son el hidróxido (OH⁻ ) y el fosfato (PO₄³⁻ ) .

El plasma está compuesto de materia gaseosa que ha sido completamente ionizada, generalmente mediante altas temperaturas.

Acidez y basicidad

El bromuro de hidrógeno existe en fase gaseosa como una molécula diatómica.

Una sustancia suele clasificarse como ácido o base . Existen diversas teorías que explican el comportamiento ácido-base. La más sencilla es la teoría de Arrhenius , que establece que un ácido es una sustancia que produce iones hidronio al disolverse en agua, y una base es aquella que produce iones hidróxido al disolverse en agua. Según la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry , los ácidos son sustancias que donan un ion hidrógeno positivo a otra sustancia en una reacción química; por extensión, una base es la sustancia que recibe dicho ion hidrógeno.

Una tercera teoría común es la teoría ácido-base de Lewis , que se basa en la formación de nuevos enlaces químicos. La teoría de Lewis explica que un ácido es una sustancia capaz de aceptar un par de electrones de otra sustancia durante la formación de un enlace, mientras que una base es una sustancia que puede proporcionar un par de electrones para formar un nuevo enlace. Existen otras formas de clasificar una sustancia como ácido o base, como se evidencia en la historia de este concepto. [ 38 ]

La acidez se suele medir mediante dos métodos. Uno de ellos, basado en la definición de acidez de Arrhenius, es el pH , que mide la concentración de iones hidronio en una disolución, expresada en escala logarítmica negativa . Por lo tanto, las disoluciones con un pH bajo tienen una alta concentración de iones hidronio y se consideran más ácidas. El otro método, basado en la definición de Brønsted-Lowry, es la constante de disociación ácida (Ka ) , que mide la capacidad relativa de una sustancia para actuar como ácido según la definición de Brønsted-Lowry. Es decir, las sustancias con un Ka más alto tienen mayor probabilidad de donar iones hidrógeno en reacciones químicas que aquellas con valores de Ka más bajos.

Redox

Las reacciones redox ( reducción - oxidación ) incluyen todas las reacciones químicas en las que los átomos cambian su estado de oxidación, ya sea ganando electrones (reducción) o perdiéndolos (oxidación). Las sustancias que tienen la capacidad de oxidar otras sustancias se denominan oxidantes y se conocen como agentes oxidantes o oxidantes. Un oxidante extrae electrones de otra sustancia. De manera similar, las sustancias que tienen la capacidad de reducir otras sustancias se denominan reductoras y se conocen como agentes reductores o reductores.

Un reductor transfiere electrones a otra sustancia y, por lo tanto, se oxida. Y debido a que "dona" electrones, también se le denomina donador de electrones. La oxidación y la reducción se refieren propiamente a un cambio en el número de oxidación; la transferencia real de electrones puede no ocurrir nunca. Por lo tanto, la oxidación se define mejor como un aumento en el número de oxidación , y la reducción como una disminución en el número de oxidación.

Equilibrio

Si bien el concepto de equilibrio se utiliza ampliamente en todas las ciencias, en el contexto de la química surge siempre que son posibles varios estados diferentes de la composición química, como por ejemplo, en una mezcla de varios compuestos químicos que pueden reaccionar entre sí, o cuando una sustancia puede estar presente en más de un tipo de fase.

Un sistema de sustancias químicas en equilibrio, aunque tenga una composición invariable, no suele ser estático ; las moléculas de las sustancias continúan reaccionando entre sí, dando lugar a un equilibrio dinámico . Por lo tanto, el concepto describe el estado en el que parámetros como la composición química permanecen inalterados a lo largo del tiempo.

Leyes químicas

Las reacciones químicas se rigen por ciertas leyes, que se han convertido en conceptos fundamentales de la química. Algunas de ellas son:

Historia

La historia de la química abarca desde la antigüedad hasta nuestros días. Desde hace varios milenios a. C., las civilizaciones utilizaban tecnologías que, con el tiempo, sentarían las bases de las diversas ramas de la química. Algunos ejemplos son la extracción de metales de los minerales , la fabricación de cerámica y esmaltes, la fermentación de cerveza y vino, la extracción de sustancias químicas de las plantas para la medicina y la perfumería, la transformación de la grasa en jabón , la fabricación de vidrio y la elaboración de aleaciones como el bronce .

La química fue precedida por su protociencia, la alquimia , que empleaba un enfoque no científico para comprender los constituyentes de la materia y sus interacciones. A pesar de no haber logrado explicar la naturaleza de la materia y sus transformaciones, los alquimistas sentaron las bases de la química moderna al realizar experimentos y registrar los resultados. Robert Boyle , aunque escéptico respecto a los elementos y convencido de la alquimia, desempeñó un papel fundamental en la elevación del «arte sagrado» a una disciplina independiente, fundamental y filosófica en su obra El químico escéptico (1661). [ 39 ]

Si bien tanto la alquimia como la química se ocupan de la materia y sus transformaciones, la diferencia crucial radicaba en el método científico que los químicos empleaban en su trabajo. La química, como cuerpo de conocimiento distinto de la alquimia, se consolidó como ciencia con la obra de Antoine Lavoisier , quien desarrolló una ley de conservación de la masa que exigía mediciones precisas y observaciones cuantitativas de los fenómenos químicos. La historia de la química posterior está estrechamente ligada a la historia de la termodinámica , especialmente a través de la obra de Willard Gibbs . [ 40 ]

Definición

La definición de química ha cambiado con el tiempo, a medida que nuevos descubrimientos y teorías amplían la funcionalidad de la ciencia. El término "química", según el renombrado científico Robert Boyle en 1661, se refería al estudio de los principios materiales de los cuerpos mixtos. [ 41 ] En 1663, el químico Christopher Glaser describió la "química" como un arte científico mediante el cual se aprende a disolver cuerpos, extraer de ellos las diferentes sustancias según su composición, y cómo unirlas nuevamente y elevarlas a una mayor perfección. [ 42 ]

La definición de la palabra "química" de 1730, tal como la usó Georg Ernst Stahl , significaba el arte de resolver cuerpos mixtos, compuestos o agregados en sus principios; y de componer tales cuerpos a partir de esos principios. [ 43 ] En 1837, Jean-Baptiste Dumas consideró que la palabra "química" se refería a la ciencia que se ocupa de las leyes y los efectos de las fuerzas moleculares. [ 44 ] Esta definición evolucionó aún más hasta que, en 1947, pasó a significar la ciencia de las sustancias: su estructura, sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias, una caracterización aceptada por Linus Pauling . [ 45 ] Más recientemente, en 1998, el profesor Raymond Chang amplió la definición de "química" para significar el estudio de la materia y los cambios que experimenta. [ 46 ]

Fondo

La filosofía atomista de Demócrito fue adoptada posteriormente por Epicuro (341-270 a. C.).

Las primeras civilizaciones, como los egipcios , [ 47 ] los babilonios y los indios , [ 48 ] acumularon conocimientos prácticos sobre las artes de la metalurgia, la cerámica y los tintes, pero no desarrollaron una teoría sistemática.

Una hipótesis química básica surgió por primera vez en la Grecia clásica con la teoría de los cuatro elementos , propuesta definitivamente por Aristóteles , quien afirmó que el fuego , el aire , la tierra y el agua eran los elementos fundamentales a partir de los cuales todo se forma como una combinación. El atomismo griego se remonta al 440 a. C., y surgió en las obras de filósofos como Demócrito y Epicuro . En el 50 a. C., el filósofo romano Lucrecio amplió la teoría en su poema De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas). [ 49 ] [ 50 ] A diferencia de los conceptos modernos de ciencia, el atomismo griego era de naturaleza puramente filosófica, con poca preocupación por las observaciones empíricas y ninguna preocupación por los experimentos químicos. [ 51 ]

Una forma temprana de la idea de conservación de la masa es la noción de que " Nada surge de la nada " en la filosofía griega antigua , que se puede encontrar en Empédocles (aprox. siglo IV a. C.): "Pues es imposible que algo llegue a ser de lo que no es, y no se puede lograr ni oír que lo que es sea completamente destruido". [ 52 ] y Epicuro (siglo III a. C.), quien, al describir la naturaleza del Universo, escribió que "la totalidad de las cosas siempre fue como es ahora, y siempre lo será". [ 53 ]

Impresión artística del siglo XV de Jābir ibn Hayyān (Geber), un alquimista persa-árabe y pionero de la química orgánica.

In the Hellenistic world the art of alchemy first proliferated, mingling magic and occultism into the study of natural substances with the ultimate goal of transmuting elements into gold and discovering the elixir of eternal life.[54] Work, particularly the development of distillation, continued in the early Byzantine period with the most famous practitioner being the 4th century Greek-Egyptian Zosimos of Panopolis.[55] Alchemy continued to be developed and practised throughout the Arab world after the Muslim conquests,[56] and from there, and from the Byzantine remnants,[57] diffused into medieval and Renaissance Europe through Latin translations.

The Arabic works attributed to Jabir ibn Hayyan introduced a systematic classification of chemical substances, and provided instructions for deriving an inorganic compound (sal ammoniac or ammonium chloride) from organic substances (such as plants, blood, and hair) by chemical means.[58] Some Arabic Jabirian works (e.g., the "Book of Mercy", and the "Book of Seventy") were later translated into Latin under the Latinized name "Geber",[59] and in 13th-century Europe an anonymous writer, usually referred to as pseudo-Geber, started to produce alchemical and metallurgical writings under this name.[60] Later influential Muslim philosophers, such as Abū al-Rayhān al-Bīrūnī[61] and Avicenna[62] disputed the theories of alchemy, particularly the theory of the transmutation of metals.

Georgius Agricola, author of De re metallica, was the first to drop the Arabic definite article al-, exclusively writing chymia and chymista, giving chemistry its modern name.[63][64][65]

Las mejoras en el refinado de minerales y su extracción para la fundición de metales fueron una fuente de información muy utilizada por los primeros químicos del siglo XVI, entre ellos Georg Agricola (1494-1555), quien publicó su obra principal , De re metallica, en 1556. Su trabajo, que describe procesos altamente desarrollados y complejos de extracción de minerales metálicos y metales, representó la cúspide de la metalurgia en aquella época. Su enfoque eliminó todo el misticismo asociado al tema, creando la base práctica sobre la cual otros pudieron y construirían. La obra describe los diversos tipos de hornos utilizados para fundir el mineral y estimuló el interés por los minerales y su composición. Agricola ha sido descrito como el "padre de la metalurgia" y el fundador de la geología como disciplina científica. [ 66 ] [ 64 ] [ 65 ]

Bajo la influencia de la Revolución Científica y sus nuevos métodos empíricos propuestos por Sir Francis Bacon y otros, un grupo de químicos de Oxford —Robert Boyle , Robert Hooke y John Mayow— comenzó a transformar las antiguas tradiciones alquímicas en una disciplina científica. Boyle, en particular, cuestionó algunas teorías químicas comúnmente aceptadas y abogó por que los químicos fueran más «filosóficos» y menos centrados en lo comercial en su obra El químico escéptico . [ 39 ] Formuló la ley de Boyle , rechazó los clásicos «cuatro elementos» y propuso una alternativa mecanicista de átomos y reacciones químicas que pudiera someterse a experimentación rigurosa. [ 67 ]

Antoine-Laurent de Lavoisier es considerado el "padre de la química moderna". [ 68 ]

En las décadas siguientes, se realizaron muchos descubrimientos importantes, como la naturaleza del «aire», que se descubrió que estaba compuesto por muchos gases diferentes. El químico escocés Joseph Black y el flamenco Jan Baptist van Helmont descubrieron el dióxido de carbono , o lo que Black denominó «aire fijo», en 1754; Henry Cavendish descubrió el hidrógeno y dilucidó sus propiedades, y Joseph Priestley y, de forma independiente, Carl Wilhelm Scheele aislaron el oxígeno puro . La teoría del flogisto (una sustancia que constituye la base de toda combustión) fue propuesta por el alemán Georg Ernst Stahl a principios del siglo XVIII y solo fue refutada a finales de siglo por el químico francés Antoine Lavoisier , el equivalente químico de Newton en física. Lavoisier hizo más que nadie para establecer la nueva ciencia sobre bases teóricas sólidas, al dilucidar el principio de conservación de la masa y desarrollar un nuevo sistema de nomenclatura química que se utiliza hasta nuestros días. [ 69 ]

El científico inglés John Dalton propuso la teoría moderna de los átomos ; según la cual todas las sustancias están compuestas de 'átomos' indivisibles de materia y que los diferentes átomos tienen pesos atómicos variables.

El desarrollo de la teoría electroquímica de las combinaciones químicas tuvo lugar a principios del siglo XIX como resultado del trabajo de dos científicos en particular, Jöns Jacob Berzelius y Humphry Davy , posible gracias a la invención previa de la pila voltaica por Alessandro Volta . Davy descubrió nueve nuevos elementos, incluidos los metales alcalinos , extrayéndolos de sus óxidos con corriente eléctrica. [ 70 ]

En su tabla periódica, Dmitri Mendeleev predijo la existencia de 7 nuevos elementos, [ 71 ] y colocó los 60 elementos conocidos en ese momento en sus lugares correctos. [ 72 ]

El británico William Prout propuso por primera vez ordenar todos los elementos según su peso atómico, ya que todos los átomos tenían un peso que era un múltiplo exacto del peso atómico del hidrógeno. JAR Newlands ideó una tabla temprana de los elementos, que luego fue desarrollada en la tabla periódica moderna de los elementos [ 73 ] en la década de 1860 por Dmitri Mendeleev e independientemente por varios otros científicos, incluido Julius Lothar Meyer . [ 74 ] [ 75 ] Los gases inertes, más tarde llamados gases nobles, fueron descubiertos por William Ramsay en colaboración con Lord Rayleigh a finales de siglo, completando así la estructura básica de la tabla.

La química orgánica fue desarrollada por Justus von Liebig y otros, siguiendo la síntesis de la urea de Friedrich Wöhler . [ 76 ] Otros avances cruciales del siglo XIX fueron: la comprensión del enlace de valencia ( Edward Frankland en 1852) y la aplicación de la termodinámica a la química ( JW Gibbs y Svante Arrhenius en la década de 1870).

Arriba: Resultados esperados: partículas alfa que atraviesan el modelo atómico de pudín de pasas sin sufrir perturbaciones. Abajo: Resultados observados: una pequeña porción de las partículas se desvió, lo que indica una carga pequeña y concentrada .

A principios del siglo XX, los fundamentos teóricos de la química finalmente se comprendieron gracias a una serie de descubrimientos notables que lograron indagar y descubrir la naturaleza misma de la estructura interna de los átomos. En 1897, J.J. Thomson de la Universidad de Cambridge descubrió el electrón y poco después el científico francés Becquerel, así como la pareja formada por Pierre y Marie Curie, investigaron el fenómeno de la radiactividad . En una serie de experimentos pioneros de dispersión, Ernest Rutherford de la Universidad de Manchester descubrió la estructura interna del átomo y la existencia del protón, clasificó y explicó los diferentes tipos de radiactividad y logró transmutar el primer elemento bombardeando nitrógeno con partículas alfa .

Su trabajo sobre la estructura atómica fue perfeccionado por sus alumnos, el físico danés Niels Bohr , el inglés Henry Moseley y el alemán Otto Hahn , quienes posteriormente sentaron las bases de la química nuclear y descubrieron la fisión nuclear . La teoría electrónica de los enlaces químicos y los orbitales moleculares fue desarrollada por los científicos estadounidenses Linus Pauling y Gilbert N. Lewis .

El año 2011 fue declarado por las Naciones Unidas como el Año Internacional de la Química . [ 77 ] Como una de las muchas designaciones de Años Internacionales de las Naciones Unidas, fue una iniciativa para ampliar la divulgación y la comprensión pública de la química. El año fue elegido por ser el centenario de la concesión del Premio Nobel de Química a Marie Curie . [ 78 ] Varios años después, en 2019, la ONU declaró el Año Internacional de la Tabla Periódica . [ 79 ]

Práctica

En la práctica de la química, la química pura es el estudio de los principios fundamentales de la química, mientras que la química aplicada aplica ese conocimiento para desarrollar tecnología y resolver problemas del mundo real.

Subdisciplinas

La química se divide generalmente en varias subdisciplinas principales. También existen varios campos interdisciplinarios y más especializados de la química. [ 80 ]

  • La química analítica consiste en el análisis de muestras de materiales para comprender su composición y estructura química . La química analítica incorpora métodos experimentales estandarizados. Estos métodos pueden utilizarse en todas las subdisciplinas de la química, excepto en la química puramente teórica. [ 81 ]
En química analítica, la espectroscopia estudia las interacciones entre la radiación electromagnética (luz) y la materia. [ 82 ] Un espectrofotómetro es un aparato que se utiliza para medir el efecto de la luz sobre la materia. El modelo que se muestra es el Beckman DU-640.
El hexafluoruro de uranio es el compuesto inorgánico que permite la purificación del 235 U.
Las Conferencias Solvay se han dedicado a resolver problemas sin resolver en química y física desde su creación en 1911. En la conferencia de 1927 (participantes en la foto) se discutieron los electrones y los fotones .

Otras subdivisiones incluyen electroquímica , femtoquímica , química de sabores , química de flujo , inmunohistoquímica , química de hidrogenación , química matemática , mecánica molecular , química de productos naturales , química organometálica , petroquímica , fotoquímica , química orgánica física , química de polímeros , radioquímica , sonoquímica , química supramolecular , química sintética y muchas otras.

Interdisciplinario

Los campos interdisciplinarios incluyen la agroquímica , la astroquímica (y la cosmoquímica ), la química atmosférica , la ingeniería química , la biología química , la quimioinformática , la química ambiental , la geoquímica , la química verde , la inmunoquímica , la química marina , la ciencia de los materiales , la mecanoquímica , la química medicinal , la biología molecular , la nanotecnología , la enología , la farmacología , la fitoquímica , la química del estado sólido , la ciencia de superficies , la termoquímica y muchos otros.

Industria

La industria química representa una importante actividad económica a nivel mundial. Los 50 principales productores químicos del mundo en 2013 registraron ventas por US$ 980.500 millones con un margen de beneficio del 10,3%. [ 87 ]

sociedades profesionales

Véase también

Notas

  1. ↑ La información relativa a las imágenes en el pie de página se ha eliminado; las descripciones completas se encuentran a continuación: Estas son solo algunas de las muchas ramas de la química. Otras incluyen (pero no se limitan a): química teórica , termoquímica , termodinámica química , química medicinal y farmacéutica , química de materiales , química ambiental , química supramolecular , electroquímica , química cuántica , química de polímeros , geoquímica , química nuclear y más.

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  • Burrows, Andrew; Holman, John; Parsons, Andrew; Pilling, Gwen; Price, Gareth (2009). Química 3. Italia: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-927789-6.
  • Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2008) [2001]. Química inorgánica (3.ª  ed.). Harlow, Essex: Pearson Education . ISBN 978-0-13-175553-6.

Lecturas adicionales

Lecturas populares

  • Atkins, PW El dedo de Galileo ( Oxford University Press ) ISBN 0-19-860941-8
  • Atkins, PW. Las moléculas de Atkins (Cambridge University Press) ISBN 0-521-82397-8
  • Kean, Sam. La cuchara que desaparece y otros relatos reales de la tabla periódica (Black Swan). Londres, Inglaterra, 2010. ISBN 978-0-552-77750-6
  • Levi, Primo La tabla periódica (Penguin Books) [1975] traducido del italiano por Raymond Rosenthal (1984) ISBN 978-0-14-139944-7
  • Stwertka, A. Guía de los elementos (Oxford University Press) ISBN 0-19-515027-9
  • «Diccionario de la Historia de las Ideas» . Archivado del original el 10 de marzo de 2008.
  • "Química"  . Encyclopædia Britannica . Vol. 6 (11.ª ed.). 1911. págs. 33–76 . 

Libros de texto introductorios para estudiantes de pregrado

  • Atkins, PW, Overton, T., Rourke, J., Weller, M. y Armstrong, F. Química inorgánica de Shriver y Atkins (4.ª ed.) 2006 (Oxford University Press) ISBN 0-19-926463-5
  • Chang, Raymond. Química, 6.ª ed. Boston, Massachusetts: James M. Smith, 1998. ISBN 0-07-115221-0
  • Clayden, Jonathan ; Greeves, Nick; Warren, Stuart ; Wothers, Peter (2001). Química orgánica (1.ª  ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850346-0.
  • Tucker, William (2024). Química: Energía, materia y cambio . CRC Press. ISBN 9781003479338.

Libros de texto de nivel avanzado de pregrado o posgrado

  • Atkins, PW Química Física (Oxford University Press) ISBN 0-19-879285-9
  • Atkins, PW et al. Mecánica cuántica molecular (Oxford University Press)
  • McWeeny, R. La valencia de Coulson (Oxford Science Publications) ISBN 0-19-855144-4
  • Pauling, L. La naturaleza del enlace químico (Cornell University Press) ISBN 0-8014-0333-2
  • Pauling, L., y Wilson, EB Introducción a la mecánica cuántica con aplicaciones a la química (Dover Publications) ISBN 0-486-64871-0
  • Smart y Moore. Química del estado sólido: una introducción (Chapman and Hall) ISBN 0-412-40040-5
  • Stephenson, G. Métodos matemáticos para estudiantes de ciencias (Longman) ISBN 0-582-44416-0
  • Principios, patrones y aplicaciones de la química general .